Si últimamente no has oído hablar de las aleaciones de soldadura que contienen bismuto (Bi), es posible que eso cambie en un futuro próximo. Las soldaduras con bajo punto de fusión que contienen bismuto se utilizan cada vez más y están ganando popularidad debido a sus temperaturas de fusión más bajas: la aleación 58Bi/42Sn es eutéctica a 138 °C y la 57Bi/42Sn/1Ag se funde entre 137 y 139 °C (ambas son alternativas sin plomo).
Una soldadura de baja temperatura presenta ventajas frente a las aleaciones con temperaturas de fusión más elevadas, ya que los requisitos de procesamiento a temperaturas más bajas pueden reducir tanto el daño térmico como los costes generales. Los defectos como la delaminación o el «efecto palomitas» pueden minimizarse o eliminarse utilizando soldaduras de baja temperatura. Los modos de fallo por delaminación o «efecto palomitas» se producen en dispositivos sensibles a la humedad (MSD) cuando la humedad que se ha difundido en los componentes plásticos se expande rápidamente al calentarse. Estas aleaciones de baja temperatura también resultan interesantes para su uso con componentes sensibles a la temperatura, en el proceso de soldadura por etapas o en la reparación.
El metal base de la mayoría de las soldaduras es el estaño, que se funde a232 °C. Se utilizan varios elementos de aleación para reducir la temperatura de fusión de la aleación. El galio (Ga), el indio (In), el bismuto (Bi) y el cadmio (Cd) son eficaces para reducir la temperatura de fusión de las aleaciones de soldadura. Sin embargo, el cadmio no suele tenerse en cuenta debido a su toxicidad. Las aleaciones que contienen galio no son prácticas, ya que suelen estar en estado líquido a temperatura ambiente o ligeramente por encima de ella. Esto deja al bismuto y al indio como candidatos para la aleación de soldadura a baja temperatura basada en estaño. Tanto el indio como el bismuto ofrecen propiedades físicas únicas.
La aleación de BiSnAg tiene una temperatura de fusión inferior a la de las soldaduras estándar de estaño y plomo (Sn63/Pb37 o Sn63 eutéctico—183 °C—), aunque en muchos casos es lo suficientemente alta como para soportar la temperatura de funcionamiento de los productos acabados. Además, sus propiedades mecánicas son similares a las de la aleación Sn63, pero esta aleación de soldadura no contiene plomo. La aleación es casi eutéctica a 137-139 °C. Dado que normalmente se recomienda una temperatura de reflujo de20-40 °Cpor encima del líquido, la aleación de BiSnAg solo requiere una temperatura máxima de procesamiento por reflujo de unos 180 °C. El montaje con Sn63 suele requerir entre 205 y 215 °C (o más si se realizan refluidos de BGA sin plomo: entre 225 y 230 °C), y son habituales temperaturas de proceso de entre 240 y 245 °C para el montaje sin plomo.
Los ensayos realizados por HP sobre resistencia al cizallamiento, resistencia a la fluencia, resistencia a la fatiga y otras pruebas mecánicas demuestran que el BiSnAg presenta propiedades que se acercan o superan a las del Sn63 en la mayoría de las condiciones, incluida una resistencia razonable hasta los 90 °C.
Existen algunas preocupaciones reales en relación con las aleaciones que contienen bismuto. Una de las principales es que el bismuto (Bi) tiende a ser bastante frágil y, en segundo lugar, si se utiliza en una aplicación en la que hay plomo presente, puede formar un eutéctico de bajo punto de fusión a 96 °C. La formación de un eutéctico de bajo punto de fusión supuso una gran preocupación cuando la industria comenzó su transición hacia el ámbito sin plomo; la mayoría de los conjuntos solo estaban parcialmente libres de plomo y la contaminación por plomo era un problema real. A medida que ha avanzado la transición, esta situación ha dejado de ser un problema tan grave; hoy en día, los materiales que contienen bismuto son una opción más viable.
Aquí se ha prestado especial atención a la composición BiSnAg porque, desde el principio, HP observó que pequeñas adiciones de Ag (o Au) aumentaban la vida útil frente a la fatiga térmica de la aleación eutéctica BiSn. Entre -25 °C y 75 °C (BiSnAg), todos los conjuntos resistieron 7.000 ciclos térmicos y, de hecho, superaron al Sn63. La resistencia a la fatiga térmica del BiSnAg es comparable o superior a la del Sn63 (incluso en el rango de 0 a 100 °C y en ausencia de contaminación por Pb). HP sugirió que el Ag podría reducir el tamaño del grano y estabilizar la microestructura; una microestructura más fina suele ser ideal para obtener mejores propiedades mecánicas.
En la próxima entrada compartiré algunos datos resumidos que hay que tener en cuenta a la hora de utilizar la aleación de BiSnAg en el proceso SMT.
