Preocupación por el crecimiento del espesor intermetálico en las juntas de soldadura SAC en entornos de servicio hostiles

Amigos,

La temperatura de servicio para la electrónica en un automóvil moderno puede ser superior a los 125 °C. Estas altas temperaturas plantean una preocupación respecto al crecimiento intermetálico del cobre-estaño en las juntas de soldadura.

A menudo, no pensamos en el hecho de que incluso la temperatura ambiente representa una fracción considerable de la temperatura de fusión del estaño, por ejemplo, 293K / 505K = 0,5802. Un recordatorio de que tenemos que usar la escala Kelvin al hacer estos cálculos. Sin embargo, 125 °C representa 0,788 del camino a la temperatura de fusión del estaño. Esta temperatura es el equivalente a llevar al hierro forjado de un herrero a 895 °C. La figura 1 muestra el gráfico de temperatura de la forja de un herrero. Tengan en cuenta que 895 °C está más allá del rojo vivo.

Figura 1. Gráfico de temperatura de forja de un herrero

Entonces, ¿cuál es el crecimiento intermetálico de cobre-estaño de la soldadura SAC a 125 °C en función del tiempo? La ley de difusión de Fick nos dice que el crecimiento del intermetálico, D, viene dado por:

D = (k(T)t)^0.5   Eq 1.

En donde k(T) es una constante de la tasa de crecimiento dependiente de la temperatura y t es el tiempo. Siewert et. al.[i] realizaron experimentos en los que D se midió para varias temperaturas y tiempos en soldaduras SAC. Para seguir el ejemplo de Siewert, usaré el tiempo en horas. Al usar sus datos en las figuras de la 2a a la 2c para la soldadura SAC, pude trazar k en un gráfico de Arrhenius, consulte la Figura 2.

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Figura 2. Un diagrama de Arrhenius de los datos de Siebert

En la Figura 2, vemos que Ln k = -6784,7/T + 14,81 o k = exp (14,81)*exp-(6784,7/T). Entonces, a 125 °C o 398 K, k = 0,1068. Con este valor de k, podemos trazar D en función del tiempo. Los resultados se encuentran en la Figura 3. Tengan en cuenta que ambas escalas son logarítmicas. En 1000 horas (42 días) el intermetálico ha crecido 10 micras. En 3 años, alcanzará las 53 micras. Debemos ser cautelosos, ya que los datos de Siewet tienen barras de error. Pero, mi sensación es que estas proyecciones están dentro de un factor de dos.

 Figura 3. Crecimiento intermetálico en función del tiempo a 125 °C en soldadura SAC. 

¿Cuál es el efecto del grosor de estos intermetálicos en entornos automovilísticos hostiles? Nadie lo sabe, pero animaría a alguien a realizar algunos experimentos para averiguarlo.  

Saludos,

Dr. Ron