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Jul 12, 2023

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El estaño por inmersión es bien aceptado como acabado final de alta confiabilidad en la industria. Debido a su excelente resistencia a la corrosión, ocupa importantes cuotas de mercado, especialmente en la industria del automóvil. Durante el proceso de soldadura se forma un compuesto intermetálico (IMC) entre el cobre y el estaño. Una preocupación que persiste en la industria es el impacto potencial del IMC en la soldabilidad del acabado final.

En este artículo, se describen los modos de falla típicos en la soldadura de estaño por inmersión y se correlacionan con las posibles causas fundamentales de los defectos.

Durante el envejecimiento, la exposición térmica o durante el proceso de reflujo en el conjunto, se forma una capa intermetálica entre el sustrato de cobre y la capa de estaño, de modo que el depósito de estaño eventualmente consiste en IMC y estaño libre cubierto por una capa de óxido de Sn. Esta capa está formada por una mezcla de SnO y SnO2, que se denomina SnOx u Sn-óxido. Las propiedades de ensamblaje de la capa de estaño dependen de las características del IMC, la capa de óxido de Sn y el contenido de estaño libre, que fue ampliamente estudiado y descrito por T. Hetschel et al. en 20091-2. Debido al crecimiento del IMC, que consume la mayor parte del estaño libre, en la parte superior de la capa sólo quedan islas de estaño, que están cubiertas por una fina capa de óxido. Las propiedades de la capa de óxido de Sn, como la homogeneidad y el espesor, afectan la soldabilidad del acabado de la superficie de estaño, así como otras características. Las contaminaciones en el depósito de estaño o los defectos en la capa de óxido pueden provocar una mala humectabilidad o decoloraciones, lo que se conoce como defectos de deshumectación.

Crecimiento de IMC y formación de óxido de estaño durante el proceso de reflujo Durante el proceso de montaje, el panel estañado debe someterse a múltiples ciclos de reflujo. Durante el proceso de reflujo, el IMC crece y aumentará el espesor de la capa de óxido que cubre el depósito de estaño. Después del primer ciclo de reflujo, normalmente entre el 70 % y el 80 % del espesor total del estaño se consume en la formación de la fase intermetálica de Cu6Sn5 y Cu3Sn3. En el segundo ciclo de reflujo, el espesor del IMC aumenta aún más, de modo que sólo quedan islas de estaño puro en la superficie del depósito. Al mismo tiempo, el proceso de reflujo conduce a un crecimiento de la capa de óxido. Si bien el envejecimiento por reflujo bajo nitrógeno tiene un impacto menor, el proceso de reflujo bajo aire aumentará significativamente el espesor de la capa de óxido de Sn. La interacción de las características IMC y las propiedades de la capa de óxido de Sn tendrá un impacto considerable en la soldabilidad del acabado de estaño por inmersión.

Cuando se analiza el ensamblaje de capas de estaño por inmersión, la causa principal de los problemas de soldadura es la contaminación, que afecta tanto el crecimiento del IMC como la formación de la capa de óxido. Se pueden considerar tres tipos diferentes de contaminación:

Los defectos de soldadura que se pueden observar en acabados de estaño por inmersión normalmente se pueden clasificar en las siguientes categorías:

Con respecto a los defectos de deshumectación y autodeshumectación, la homogeneidad y el espesor de la capa de óxido de Sn son muy importantes.

En la siguiente sección, se darán algunos ejemplos para explicar cómo las contaminaciones afectan la soldabilidad del acabado superficial de estaño.

Residuos en Cobre Si quedan residuos de procesos anteriores, como la aplicación de una máscara de soldadura, en la superficie de cobre antes de sumergir el panel en la solución de estañado, esto puede afectar la soldabilidad del acabado final. Los residuos no se pueden eliminar durante el proceso de recubrimiento húmedo y permanecen en la interfaz cobre/estaño. Durante el primer ciclo de reflujo, dichos residuos pueden migrar a la superficie de la capa de estaño con el IMC en crecimiento. En el segundo ciclo de reflujo, los residuos pueden afectar a la estabilidad de la capa de óxido de estaño y provocar grietas, de modo que el estaño líquido penetra y alcanza la superficie de la capa. La Figura 1 muestra un dibujo esquemático que ilustra cómo los residuos pueden moverse dentro de la capa y alcanzar la superficie de la capa de estaño durante los dos ciclos de reflujo.

Figura 1: Dibujo esquemático del impacto potencial de las contaminaciones en el cobre durante el proceso de reflujo.

Contaminación del estaño Además, el propio proceso de estañado puede conllevar un riesgo de contaminación en la capa chapada. Esto puede ser causado por la lixiviación de los componentes de la máscara de soldadura en el electrolito de estaño, que luego se depositan conjuntamente en el proceso de estañado, o por residuos de la química del estaño, que no se enjuagan adecuadamente después del paso de estañado y permanecen en la superficie. la superficie del estaño. Un método sencillo para identificar contaminantes orgánicos en la superficie del estaño es utilizar un microscopio de fluorescencia. Esto permite la detección de componentes fluorescentes que no son visibles a simple vista. Las investigaciones de placas defectuosas pudieron indicar claramente una correlación entre las áreas de defecto de fusión y la fluorescencia UV de los residuos. La Figura 2 muestra una imagen ejemplar de las áreas contaminadas, que están indicadas con marcadores verdes.

Figura 2: Imágenes microscópicas de fluorescencia de almohadillas defectuosas que muestran autodeshumectación.

Recondensación de volátiles Finalmente, los volátiles pueden ser una tercera fuente de contaminación, ya que se vuelven a condensar en la capa de estaño durante el proceso de reflujo. Estos pueden evaporarse del material base o de la máscara de soldadura mal curada, o pueden provenir de residuos orgánicos que se acumulan con el tiempo en el horno de reflujo. Si la máscara de soldadura no se cura adecuadamente, presenta un alto riesgo de liberar volátiles durante el proceso de reflujo. Una contramedida para reducir la evaporación de componentes orgánicos es aplicar un tratamiento de choque UV antes del proceso de estañado por inmersión. Se realizó una prueba de comparación con una máscara de soldadura parcialmente curada con diferentes condiciones de reflujo. Los resultados mostraron que el tratamiento UV y la atmósfera de oxígeno en el horno de reflujo conducen a una apariencia significativamente mejorada del acabado de estaño por inmersión.

La Figura 3 muestra la apariencia de la superficie del estaño de inmersión después del segundo ciclo de reflujo. Se puede observar una clara diferencia en la variación de la atmósfera de reflujo. Se observa un aspecto blanco y homogéneo para las muestras tratadas en atmósfera de aire, mientras que las muestras procesadas bajo nitrógeno aparecen amarillentas. La atmósfera de aire provoca un mayor aumento del espesor de la capa de óxido. Esto ayuda a asegurar una capa de óxido homogénea y evita la penetración de estaño líquido a través de la capa de óxido.

Figura 3: Aspecto de la capa de estaño después del segundo ciclo de reflujo con condiciones de reflujo variadas.

Además de eso, el tratamiento UV del panel antes del proceso de estañado ayuda a mejorar su apariencia. Los paneles que no fueron tratados con rayos UV muestran una apariencia desigual y decoloración. Los resultados indican que los contaminantes orgánicos que se evaporan de la máscara de soldadura pueden provocar defectos locales en el acabado de estaño. Los paneles tratados con rayos UV presentan un aspecto muy uniforme y homogéneo, sin indicación de defectos locales.

Resumen

Los defectos de soldadura que pueden aparecer en los acabados de estaño por inmersión en el segundo paso de reflujo están, en la mayoría de los casos, relacionados con problemas de contaminación. Estos pueden ser residuos sobre el cobre, impurezas depositadas conjuntamente en el depósito de estaño o condensados ​​o residuos sobre la superficie del estaño.

Como la formación de la capa de IMC y de óxido durante el proceso de ensamblaje también afecta las propiedades de soldadura de la capa de estaño de inmersión, las contaminaciones que afectan el crecimiento de IMC y la formación de la capa de óxido también afectarán el rendimiento de la soldadura. Para mantener una buena soldabilidad de la capa de estaño, todas las posibles fuentes de contaminación deben reducirse al mínimo asegurando:

Además, fortalecer la capa de óxido puede ayudar a aumentar la robustez del proceso. Hay opciones de pasos posteriores al tratamiento disponibles para mejorar significativamente la apariencia después del reflujo, como lo indican las imágenes de superficie ejemplares.

Figura 4: Aspecto de la capa de estaño después del reflujo con y sin postratamiento.

Referencias

Britta Schafsteller es directora global de productos de acabado selectivo en Atotech.