Estudo da interação entre ligas de soldagem branda e substratos de Ni e Cu

Abstract

As reações existentes entre as ligas de solda e os terminais de componentes e placas eletrônicas possuem grande interesse industrial, fato este decorrente da ligação existente entre a confiabilidade, os materiais utilizados e processos de montagem de placas eletrônicas. Dentro desse contexto, o uso de diferentes ligas de solda e metalizações está sendo amplamente estudado em decorrência de diretivas ambientais que visam banir o uso do chumbo, o qual era muito utilizado pela indústria de montagem de placas eletrônicas. Porém, a utilização desses novos materiais necessita de adequações das janelas de processos adotadas, no intuito de adequá-las para obtenção de uma junta de solda com boas propriedades e que atendam aos requisitos necessários à aplicação. Tendo em vista este conjunto de questões, neste trabalho foram avaliadas duas ligas de solda comerciais, 63%Sn-37%Pb e Sn-0.3%Ag-0.7%Cu-0.1%Bi (SACX0307) e duas metalizações utilizadas em componentes eletrônicos do tipo THT (Through Hole Technology), cobre e níquel, adotando como base o processo de soldagem por onda seletiva e seus parâmetros controláveis tempo de contato entre a solda fundida e o terminal do componente e a temperatura do processo. A processabilidade, a qual foi avaliada em termos do ângulo de molhamento, apresentou melhores resultados para a combinação: liga SnPb, metalização de cobre e na maior temperatura avaliada, 300°C. Estes resultados foram utilizados para inferir, através da equação de Young, que a tensão superficial da liga SnPb apresentou menores valores que a SACX0307 e também que o cobre possui menor tensão de superfície que o níquel nas condições avaliadas. As análises de microscopia revelaram que os filamentos de níquel, utilizados para simular terminais de componentes, não sofreram molhamento completo na área exposta à solda, influenciando na homogeneidade e na altura máxima de molhamento. Já para o filamento de cobre não foi observado este comportamento, sendo possível estabelecer uma otimização de parâmetros para a aplicação de ambas as ligas no processo de montagem de placas eletrônicas. No tocante as reações envolvendo as ligas de solda e as metalizações, os resultados de análise química na interface dos materiais revelaram a formação dos compostos Ni3Sn4 e Cu6Sn5, sendo mais pronunciada em altas temperaturas e maiores tempos de contato, já que a reação está diretamente ligada à dissolução da metalização conforme avaliado.

Abstract: The reaction between solder alloys and printed circuit boards (PCB) and component leads have great industrial interest due to the relation between reliability, materials and the assembly processes. In this context, the use of different solder alloys and lead metallization are being widely studied in virtue of environmental policies that aim to ban the use of lead element, which was widely used for PCI assembly industries. However, the use of these new materials require adjustments of the adopted processes windows in order to adapt them to obtain a solder joint and good properties that meet the requirements necessary for the application. Given this issues, in this study were evaluated two commercial soldering alloys, 63%Sn-37%Pb e Sn-0.3%Ag-0.7%Cu-0.1%Bi (SACX0307) and two metallizations used in THT (Through Hole Technology) components lead, copper and nickel. This study will take as a basis the selective wave soldering process and its controllable parameters - contact time between the molten solder and the component lead and the process temperature. The solderability, which was evaluated in terms of the wetting angle, showed the best results for the combination: SnPb alloy, copper metallization and the higher temperature tested, 300°C. These results were used to infer by Young's equation, that the surface tension of SnPb alloy showed lower values than SACX0307 and also that copper has lower surface tension than nickel under the evaluated conditions. The microscopy analysis revealed that the nickel filaments, used to simulate component leaded, not suffer complete wetting during the soldering process, influencing the homogeneity. As for the copper filament, this behavior was not observed and an optimization is possible to establish parameters to be used for both alloys in the soldering process. Regarding the reactions involving solder alloys and metallizations, the results of chemical analysis on the interface revealed the formation of Ni3 Sn4 and Cu6Sn5 compounds, being more pronounced at higher temperatures and longer dwell times, since the reaction is directly linked to the dissolution of metallization as assessed.