Creciente interés en las aleaciones de soldadura que contienen Bi: El bismuto es el rey

Si no ha escuchado recientemente sobre las aleaciones de soldadura que contienen BI (bismuto), eso podría cambiar en el futuro cercano. Se está incrementando el uso de las soldaduras de bajo punto de fusión que contiene Bi y están ganando popularidad debido a sus bajas temperaturas de punto de fusión, 58Bi/42Sn es eutéctica a 138°C y 57Bi/42Sn/1Ag se funde a 137-139°C (ambas son alternativas libres de plomo).

Una soldadura de baja temperatura tiene ventajas sobre las aleaciones de más alto punto de fusión puesto que los requerimientos de procesamiento de temperatura baja pueden reducir tanto el daño térmico como los costos generales.  Los defectos como la delaminación o el "pop-corning" se pueden minimizar o eliminar mediante el uso de soldadura de temperatura más baja. Los modos de falla de delaminación o pop-corning ocurren en dispositivos sensibles a la humedad (MSD), cuando la humedad que se ha difundido en los componentes de plástico se expande rápidamente durante el calentamiento. Estas aleaciones de baja temperatura también son de interés por su uso con componentes sensibles a la temperatura, el proceso del paso de soldadura o el reproceso.

El metal base para la mayoría de soldaduras es el estaño, que se funde a 232^oC. Cierta cantidad de elementos de aleación se utilizan para disminuir la temperatura de fusión de la aleación. Ga, In, Bi y Cd son efectivos para reducir la temperatura de fusión de las aleaciones de soldadura. Sin embargo, Cd no se considera con frecuencia debido a su toxicidad. Las aleaciones que contienen galio no son prácticas puesto que típicamente son líquidas a temperatura ambiente o ligeramente superior. Esto deja al bismuto y al indio como candidatos de aleación para aleaciones de soldadura basadas en estaño y de baja temperatura. El indio y el bismuto ofrecen propiedades físicas únicas.

La aleación BiSnAg presenta una temperatura de fusión más baja que las soldaduras estándar basadas en estaño  (Sn63/Pb37 o Sn63 eutéctica a 183^oC), aun así es lo suficientemente alta como para resistir la temperatura operativa de las mercancías terminadas. Además, sus propiedades mecánicas son similares a Sn63, pero esta aleación de soldadura no contiene plomo. La aleación se encuentra cerca a ser eutéctica a 137-139°C. Puesto que típicamente se recomienda una temperatura de 20-40^oC por encima del estado líquido, la aleación BiSnAg solo requiere una temperatura máxima de procesamiento de reflujo de 180°C. El ensamble Sn63 por lo general solo requiere 205-215°C (o superior si se está haciendo reflujo de BGA libre de plomo - 225-230°C), y temperaturas de proceso de 240-245°C son comunes para un ensamble libre de plomo.

Trabajo realizado por HP (bisnag_strength_and_fatigue___hp.pdf) sobre la resistencia al cizallamiento, resistencia a la fluencia, resistencia a la fatiga, y otra ensayos mecánicos que demuestra que BiSnAg tiene propiedades que se acercan o superan a Sn63 bajo la mayoría de condiciones, incluida una resistencia razonable hasta 90°C.C.

Existen algunas preocupaciones reales con las aleaciones que contienen bismuto. Una de las principales preocupaciones es que el Bi tiende a ser bastante frágil y en segundo lugar, si se utiliza en una aplicación donde el plomo está presente, se puede formar un eutéctico con bajo punto de fusión a 96°C. La formación de un eutéctico con bajo punto de fusión era una preocupación importante cuando la industria hizo la primera transición al área de las soldaduras sin plomo, la mayoría de los ensambles solo eran en parte libres plomo sólo y la contaminación por plomo era una preocupación real. A medida que la transición progresó, esta situación se ha convertido cada vez menos en un problema, en la actualidad los materiales que contienen Bi son una opción más viable.

Mucho del enfoque se ha mantenido en la composición BiSnAg puesto que, desde temprano, HP observo que pequeñas adiciones de Ag (o Au) incrementaban la vida de fatiga térmica de la aleación eutéctica BiSn. De -25ºC a 75ºC (BiSnAg), todos los ensambles sobrevivieron 7.000 ciclos térmicos, y en realidad sobrepasaron a Sn63.  La fatiga térmica de BiSnAg es comparable o superior a Sn63 (incluso en el rango de 0-100°C y en ausencia de contaminación por Pb). HP sugirió que la presencia de Ag podría disminuir el tamaño del grano y estabilizar la microestructura. Típicamente, una microestructura más fina es ideal para obtener mejores propiedades mecánicas (bisnag_low_temperature_solder_hp.pdf).

En la próxima publicación compartiré cierta información resumida para considerar el momento de usar la aleación BiSnAg en el proceso SMT.