Preocupação com o crescimento da espessura intermetálica em juntas de solda SAC em ambientes de serviço rigorosos

Pessoal,

A temperatura de serviço dos componentes electrónicos de um automóvel moderno pode ser superior a 125C. Estas temperaturas elevadas suscitam a preocupação do crescimento intermetálico cobre-estanho nas juntas de soldadura.

Muitas vezes, não pensamos no facto de que mesmo a temperatura ambiente é uma fração considerável da temperatura de fusão do estanho, por exemplo, 293K/505K = 0,5802. Lembramos que temos de utilizar a escala Kelvin para efetuar estes cálculos. No entanto, 125C é 0,788 do caminho para o ponto de fusão do estanho. Esta temperatura é equivalente à temperatura do ferro forjado de um ferreiro a 895C. A Figura 1 mostra um gráfico de temperatura da forja deum ferreiro. Note-se que 895C está para além do vermelho quente.

Figura 1. Gráfico de temperatura da forja de um ferreiro

Então, qual é o crescimento do intermetálico cobre-estanho da solda SAC a 125C em função do tempo? A lei de difusão de Fick diz-nos que o crescimento do intermetálico, D, é dado por:

D = (k(T)t)^0.5 Eq 1.

Onde k(T) é uma constante de taxa de crescimento dependente da temperatura e t é o tempo. Siewert etal[i] efectuaram experiências em que D foi medido para várias temperaturas e tempos para soldas SAC. Seguindo o exemplo de Siewert, utilizarei o tempo em horas. Utilizando os seus dados nas Figuras 2a a 2c para a solda SAC, consegui traçar k num gráfico de Arrhenius, ver Figura 2.

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Figura 2. Um gráfico de Arrhenius dos dados de Siebert

A partir da Figura 2, vemos que Ln k = -6784,7/T+ 14,81 ou k = exp (14,81)*exp-(6784,7/T). Assim, a 125C ou 398K, k = 0,1068. Usando este valor de k, podemos traçar o gráfico de D em função do tempo. Os resultados estão na Figura 3. Note que ambas as escalas são logarítmicas. Em 1.000 horas (42 dias) as intermetálicas cresceram 10 microns. Em 3 anos, atinge 53 microns. Devemos ser cautelosos, pois os dados de Siewet têm barras de erro. Mas, a minha sensação é que estas projecções estão dentro de um fator de dois.

Figura 3. Crescimento intermetálico em função do tempo a 125C em solda SAC.

Qual é o efeito destes intermetálicos espessos num ambiente automóvel agressivo? Ninguém sabe, mas eu encorajaria alguém a realizar algumas experiências para o descobrir.

Saúde,

Dr. Ron