ANÁLISIS DE FALLAS EN EL PROCESO DE SOLDADURA

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA
ANÁLISIS DE FALLAS EN EL PROCESO DE SOLDADURA SELECTIVA EN LA
FABRICACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
Por:
Christian Nubar Hovsepian Merseian
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Químico
Sartenejas, abril de 2011
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA QUÍMICA
ANÁLISIS DE FALLAS EN EL PROCESO DE SOLDADURA SELECTIVA EN LA
FABRICACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
Por:
Christian Nubar Hovsepian Merseian
Realizado con la asesoría de:
Tutor Industrial (Robert Bosch GmbH): Dr. Barbara Freudenberger
Tutor Académico (USB): Prof. Nathalie Ochoa
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Químico
Sartenejas, abril de 2011
RESUMEN
Esta investigación fue realizada con el objetivo de determinar un posible mecanismo de
falla en el proceso de soldadura selectiva industrial libre de plomo. Las fallas son la formación de
zonas no mojables en las paredes de los crisoles utilizados para elevar el metal fundido hasta el
punto de soldadura. Estas fallas afectan la calidad de la soldadura de los componentes
electrónicos sobre los circuitos impresos. Se investigó la interacción de los crisoles, las
substancias de pretratamiento o fundente (también conocidos como flux) y la temperatura del
sistema durante ciclos de inmersión en el baño de metal fundido, utilizando distintos tipos de flux
y variando los métodos de aplicación.
Se pudo determinar mediante el uso de análisis de microscopía óptica y microscopía
electrónica, acoplada a un espectrógrafo de rayos X, la falta de adherencia de la soldadura
fundida fresca en las zonas no mojables (fallas). La falla se presenta en forma de anillo en el tope
del crisol con desgaste superficial y acumulación de flux en los alrededores. Sobre estas áreas se
detectó la presencia de hierro, este elemento fue un indicativo del alcance de compuestos
intermetálicos a la capa superficial. El compuesto intermetálico presente pudiera tener la formula
FeSn2, la cual se forma a partir de la interacción entre la soldadura fundida (con alto contenido de
estaño) y los crisoles de acero (con alto contenido de hierro) a la temperatura de soldadura. Se
determinó que el proceso de formación de las zonas no mojables se debe a la interacción entre la
fase intermetálica con una atmósfera oxidante perdiendo así el crisol la capacidad de ser mojado
por el estaño líquido. Se observó que la alta temperatura en el contacto entre el crisol y el flux
generó la adherencia y descomposición de este último en las paredes del crisol. Estos residuos
promovieron localmente la disolución de la capa externa de β-Sn.
Se recomienda el estudio de nuevos flux más resistentes a las altas temperaturas del
proceso para evitar así su adherencia a las paredes de los crisoles y por consiguiente la formación
de áreas no mojables.
iv
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar me gustaría agradecer a mi tutora Dr. Barbara Freudenberger (Robert Bosch
GmbH) por darme la oportunidad de ser partícipe de este proyecto, también por su gran ayuda,
paciencia, confianza, dedicación y tiempo durante mi estadía y aprendizaje en BOSCH.
Me gustaría agradecer al Prof. Dr. Heinz Kück por aceptar amablemente la supervisión de mi
trabajo en nombre de la Universidad de Stuttgart.
A Dirk Seel y Robert Manners de BOSCH por su ayuda y disposición en el laboratorio.
A Mauricio Ramírez por el apoyo y ayuda con respecto a cuestiones teóricas e importantes
discusiones sobre el trabajo.
Me gustaría agradecer al programa de intercambio de la Universidad Simón Bolívar y la
Universidad de Stuttgart por bridarme la oportunidad de realizar esta enriquecedora experiencia.
A la profesora Nathalie Ochoa (USB) por su ayuda en la reestructuración de la versión escrita del
trabajo al castellano.
Me gustaría agradecer sobre todas las cosas a mis padres, hermanos, al resto de mi familia, a mis
amigos y compañeros por su apoyo incondicional durante toda mi carrera universitaria.
v
ÍNDICE GENERAL
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................V ÍNDICE GENERAL .................................................................................................................... VI ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................ VIII ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................................................X LISTA DE ABREVIATURAS.................................................................................................... XI INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1 DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA ............................................................... 3 CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS ........................................................................ 4 2.1 Soldadura ........................................................................................................................... 4 2.1.1 Material de aporte (aleación para soldar) ........................................................................ 5 2.1.2 Compuesto de acondicionamiento para soldar (flux) ...................................................... 9 2.1.3 Calentamiento para soldar ............................................................................................. 11 2.2 Proceso Industrial de Soldadura Selectiva. Proceso de Producción Masiva ............. 12 2.2.1 Crisoles para soldar ....................................................................................................... 15 2.3 Métodos de análisis .......................................................................................................... 16 2.3.1 Microscopía óptica ........................................................................................................ 16 2.3.2 Microscopía electrónica y espectrometría de fluorescencia de rayos X........................ 16 CAPÍTULO 3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ...................................................... 18 3.1 Caracterización de los crisoles metálicos....................................................................... 18 3.2 Experimentación en equipo de producción industrial ................................................. 18 3.2.1 Estudio del posicionamiento de los crisoles en el proceso industrial ............................ 18 3.2.2 Daños mecánicos sobre los crisoles .............................................................................. 20 3.3 Experimentación a escala de laboratorio ...................................................................... 20 vi
3.3.1 El equipo de soldadura .................................................................................................. 20 3.3.2 Sustancias de acondicionamiento (flux) ........................................................................ 22 3.3.3 Método de aplicación del flux ....................................................................................... 22 3.3.3.1 Tipos de aplicadores .............................................................................................. 23 CAPÍTULO 4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ..................................................................... 24 4.1 Caracterización de los crisoles........................................................................................ 24 4.1.1 Caracterización de los crisoles en su estado de entrega ................................................ 24 4.1.2 Caracterización de los crisoles luego de la primera inmersión en el baño fundido....... 26 4.2 Resultados de la experimentación en equipo de producción industrial ..................... 29 4.2.1 Caracterización metalúrgica de las zonas no mojables ................................................. 30 4.2.2 Efecto del posicionamiento de los crisoles sobre la ocurrencia de la falla.................... 34 4.2.3 Influencia de daños mecánicos en la superficie del crisol sobre la formación de zonas
no mojables ................................................................................................................................ 36 4.3 Resultados de la experimentación a escala de laboratorio. ......................................... 38 4.3.1 Verificación del efecto del flux sobre las paredes de los crisoles ................................. 38 4.3.2 Efecto de los ciclos de inmersión. ................................................................................. 40 4.4 Mecanismo propuesto de formación de las zonas no mojables ................................... 44 CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................ 45 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................................... 47 vii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Diagrama de Fase del Sistema Sn-Pb (Bath, 2007). ..................................................... 6 Figura 2.2. Diagrama de fase del sistema Sn-Ag-Cu(Bath, 2007). ................................................. 8 Figura 2.3. Diagrama de fase Sn-Ag-Cu. Zona de alta composición de estaño (Bath, 2007). ........ 9 Figura 2.4. Acción reductora de los flux. ...................................................................................... 10 Figura 2.5. Ácido Abiético, componente principal del flux resina................................................ 10 Figura 2.6. Estructura del ácido adípico ........................................................................................ 11 Figura 2.7. Estructura del ácido subérico ...................................................................................... 11 Figura 2.8. Estructura del ácido sebásico ...................................................................................... 11 Figura 2.9. Diagrama del proceso de soldadura selectiva ............................................................. 13 Figura 2.10. Crisoles del proceso de producción de soldadura selectiva masiva .......................... 14 Figura 2.11. Equipo de soldadura selectiva. .................................................................................. 14 Figura 2.12. Descripción de los crisoles tal como fueron recibidos. ............................................. 15 Figura 2.13. Sección transversal y diagrama de representación del tope de los crisoles. ............. 15 Figura 2.14. Modelo de emisión de rayos X ................................................................................. 16 Figura 3.1. Posición de las muestras en el soporte para soldar. .................................................... 19 Figura 3.2. Montaje experimental para ensayos de inmersión de crisoles metálicos a escala de
laboratorio...................................................................................................................................... 21 Figura 3.3. Sistema de fijación del crisol en el baño metálico. ..................................................... 21 Figura 3.4. Flux utilizados durante la investigación...................................................................... 22 Figura 3.5. Representación del proceso de precalentamiento y aplicación del flux. ..................... 23 Figura 3.6. Aplicadores de flux utilizados en los experimentos a escala de laboratorio ............... 23 Figura 4.1. Imagen de MO de una muestra de referencia.............................................................. 24 Figura 4.2. Sección transversal con MO. Muestra de referencia................................................... 25 Figura 4.3. Sección transversal con MEB. Muestra de referencia ................................................ 26 Figura 4.4. Imagen bajo MO del crisol pretratado. ....................................................................... 27 Figura 4.5. Diagrama de Ellingham del Sn
(http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ellingham_diagrams/interactive.php)..................................... 27 Figura 4.6. Imagen MEB de la muestra 2a (crisol pretratado). ..................................................... 28 Figura 4.7. Diagrama de fase Fe-Sn. ............................................................................................. 29 Figura 4.8. Imagen de la sección transversal de un crisol pretatado. Capas internas (MO). ......... 29 viii
Figura 4.9.Área superficial de los crisoles luego de ser sometidos a (a) 285 y (b) 500 ciclos de
inmersión en el baño de metal fundido, aplicando flux/resina y flux/ácido respectivamente. ...... 30 Figura 4.10. Punto de soldadura correcto (derecha) y punto de soldadura incorrecto (izquierda) 31 Figura 4.11. Muestra (a). Amplificación de la superficie del anillo.............................................. 31 Figura 4.12. Análisis superficial de MEB-EDX en el área no mojable de la muestra (a) ............. 33 Figura 4.13. Análisis de sección transversal en zona no mojable con MEB-EDX. ...................... 33 Figura 4.14. Diagrama de Elligham del Fe.
(http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ellingham_diagrams/interactive.php)..................................... 34 Figura 4.15. Análisis MEB-EDX de estructuras marrones en las áreas no mojables de los crisoles.
....................................................................................................................................................... 35 Figura 4.16. Imagen de las muestra 5_V1 y 1_V1, respectivamente. ........................................... 35 Figura 4.17. Rayones sobre los crisoles. Crisol 4_V1. .................................................................. 37 Figura 4.18. Sección transversal del rayón en la muestra 4_V1.................................................... 37 Figura 4.19. Reducción de óxidos de estaño por parte del flux..................................................... 38 Figura 4.20. Residuos del flux resina en el área superficial. ......................................................... 39 Figura 4.21. Residuos del flux ácido. ............................................................................................ 39 Figura 4.22. Residuos del flux mezclado. ..................................................................................... 39 Figura 4.23. Imagen del área superficial de la muestra KO_1. ..................................................... 41 Figura 4.24. Crisol KO_2. Presencia de residuos de flux y formación gris. ................................. 41 Figura 4.25. Área superficial de la muestra KO_5. ....................................................................... 42 Figura 4.26. Perfiles de temperatura de los aplicadores durante el contacto con las muestras. .... 43 ix
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Propiedades de materiales usados en el proceso de soldadura (Bath, 2007) ................ 12 Tabla 2.2. Dimensiones de los crisoles para soldar (medidas aproximadas) ................................ 15 Tabla 3.1. Posicionamiento de las muestras en los procedimientos V1 y V3 ............................... 19 Tabla 3.2. Posicionamiento de las muestras en el procedimiento V2 ........................................... 19 Tabla 4.1. Especificaciones de los experimentos a escala de laboratorio. .................................... 40 x
LISTA DE ABREVIATURAS
PCB: Circuitos impresos electrónicos (del inglés Printed Circuit Board)
RoHS: Restricción de Substancias Peligrosas (del inglés Restriction of Harzardous Substances)
VMC: Valor Máximo de Concentración
WEEE: Directiva sobre desechos de equipos eléctricos y electrónicos (del inglés Waste Electrical
and Electronic Equipment)
NEMI: Iniciativa Nacional de Fabricación Electrónica (del inglés, National Electronic
Manufacturing Process
IDEALS: Proyecto de consorcio de la Unión Europea (del inglés, Improved Design Life and
Environmentally Aware Manufacturing of Electronics Assemblies by Lead-Free Soldering)
MO: Microscopía óptica
MEB: Microscopía electrónica de barrido
EDX: Espectrometría de dispersión energética de rayos X
FIM: Fase intermetálica
xi
INTRODUCCIÓN
El proceso de soldadura es una de las técnicas más antiguas de unión de dos o más
materiales, generalmente metales. Existen diversos métodos para la realización de las uniones
metalúrgicas. En algunos casos, los materiales involucrados son fundidos y se agrega un material
de relleno en la interfase entre ambos compuestos; este proceso de soladura se conoce como
welding. Por otro lado, existen otros procesos llamados soldering, en los cuales los metales a unir
no son fundidos sino que la interfase entre ellos se rellena utilizando una aleación fundida de bajo
punto de fusión (Strauss, 1998).
En la industria electrónica, los componentes utilizados en la fabricación de circuitos
impresos electrónicos o PCB (por sus siglas en inglés, printed circuit board) no soportan altas
temperaturas; por esta razón el proceso de unión de los componentes electrónicos a los circuitos
impresos se realiza frecuentemente mediante el proceso soldering. Tradicionalmente, estas
soldaduras utilizan aleaciones de estaño (Sn) y plomo (Pb), cuya selección obedece a su bajo
costo, su buena soldabilidad, su relativa baja temperatura de fusión y una adecuada resistencia
mecánica. Sin embargo, este material ha empezado a ser retirado de los dispositivos electrónicos.
En efecto, legislaciones recientes en materia ambiental, restringen el uso del plomo dada la
elevada toxicidad de este elemento para el ser humano (Li et al., 2008). Existen muchos estudios
que demuestran que el plomo, afecta diversos órganos, como el corazón, riñones, sistema
digestivo, entre otros, generando una enfermedad conocida como saturnismo (Kasper et al., 2005).
El primer paso concreto para la eliminación de este elemento en los dispositivos
electrónicos fue dado por la Unión Europea con la directiva RoHS (por sus siglas en inglés,
Restriction of Hazardous Substances), la cual afecta únicamente productos comercializados y
utilizados dentro de la Unión Europea. El objetivo principal de este tipo de regulaciones es
aumentar las responsabilidades ambientales de las empresas respecto a sus productos inclusive al
finalizar su vida útil. La RoHS exige que ciertos productos colocados en el mercado europeo a
partir del 1ero de Julio de 2006 no deben contener ciertas substancias por encima de los límites
permitidos (Bath, 2007). Aunque esta legislación no afecta al mercado global, se ha iniciado un
esfuerzo mancomunado por parte de investigadores y del sector industrial hacia el desarrollo de
materiales alternativos que cumplan con las regulaciones impuestas por la RoHS a nivel mundial
(Bath, 2007).
2
El desarrollo de materiales alternativos a las soldaduras con plomo ha venido
evolucionando a lo largo de los últimos años. En los últimos años fue alcanzado un consenso
internacional, y se determinó desarrollar como sucesor más prometedor de las aleaciones con
plomo a las aleaciones ternarias de la familia Sn-Ag-Cu (estaño-plata-cobre). La base para el
diseño de las nuevas soldaduras libres de plomo es tratar de realizar la menor cantidad de
cambios a los procesos de fabricación ya existentes, esto intentando reproducir de la manera más
cercana posible, las propiedades de la aleación eutéctica de Sn-Pb y así disminuir la inversión
económica en nuevos equipos. Sin embargo, la sustitución de las aleaciones eutécticas de Sn-Pb
por los nuevos materiales ha suscitado una serie de problemas complejos, especialmente en
términos del proceso de fabricación, rendimiento y fiabilidad de las soldaduras, que son aspectos
críticos a la hora de diseñar nuevos procedimientos. Como consecuencia, el número de
investigaciones enfocadas a estudiar las interacciones entre la nueva aleación para soldar, el
material de las placas para los circuitos impresos, los equipos involucrados en el proceso y los
componentes electrónicos, se ha incrementado significativamente.
Bajo este contexto, en el presente proyecto de grado se estudiaron algunas de las variables
involucradas en el proceso de soldadura selectiva con aleaciones libres de plomo. El estudio se
enfocó en estudiar las diferentes etapas del proceso en las que interactúan la aleación para soldar
(Sn-Ag-Cu), las partes móviles (crisoles metálicos) y las sustancias de acondicionamiento de la
soldadura llamadas flux. Estas sustancias son soluciones de ácidos orgánicos capaces de reducir
los óxidos formados en las superficies metálicas y prevenir su posterior formación durante el
proceso de soldadura. El objetivo del estudio fue determinar un posible mecanismo de falla en el
ensamblaje de componentes electrónicos sobre circuitos impresos. La investigación se realizó en
el Departamento AE (Automotive Electronics), sección EAI (Engineering Assembly and
Interconnect Technology), en las instalaciones de la empresa Robert Bosch GmbH en
Schwieberdingen, Alemania, en el marco del programa de intercambio académico entre la
Universidad Simón Bolívar y la Universidad de Stuttgart.
CAPÍTULO 1
DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA
Robert Bosch fundó en la ciudad alemana de Stuttgart en 1886 un taller llamado “Taller de
Precisión Mecánica e Ingeniería Eléctrica” la que luego se transformaría en la mundialmente
conocida Robert Bosch GmbH. Desde el comienzo, la historia de esta compañía se ha
caracterizado por su interés social y su fuerza innovadora. Es una empresa pionera en la
investigación, desarrollo, producción y venta de componentes para automóviles, herramientas
mecánicas para uso doméstico e industrial y sistemas de seguridad. Robert Bosch GmbH es el
proveedor número uno a nivel mundial de componentes automovilísticos, ya que está relacionada
virtualmente con todos los fabricantes de vehículos del planeta. Bosch tiene unos 300.000
empleados en alrededor de 50 países.
Dentro del grupo Bosch se encuentra el departamento AE (por sus siglas en inglés,
Automotive Electronics); una de sus sedes se encuentra en el poblado de Schwieberdingen a unos
14 km de la ciudad de Stuttgart. Este departamento desarrolla, produce y vende componentes
electrónicos para la industria automotriz, como por ejemplo el sistema de control de frenada ABS
(por sus siglas en inglés, Anti-lock Breaking System) y la gestión electrónica del motor, entre
otros. Dentro de este departamento, la sección EAI (por sus siglas en inglés, Engineering
Assembly and Interconnect Technology) se encarga del desarrollo y diseño de los procesos de
ensamblaje y soldadura de componentes electrónicos sobre los circuitos impresos y fue en esta
sección donde se realizó el presente trabajo.
CAPÍTULO 2
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1
Soldadura
El proceso de soldadura es una de las técnicas más antiguas para unir, con un enlace
metalúrgico, dos o más materiales, generalmente metales. El término enlace metalúrgico se
refiere a que entre los metales a unir debe existir una alteración microestructural durante el
proceso (Strauss, 1998).
Existen diversos métodos para la realización de las uniones metalúrgicas, en algunos casos
los materiales involucrados son fundidos y se agrega un material de relleno en la interfase de
ambos compuestos. Por otro lado existen procesos llamados soldadura blanda y soldadura fuerte,
en donde los metales a unir no son fundidos sino que la interfase entre los metales es llenada por
una aleación fundida. Por consiguiente, la aleación utilizada debe presentar una temperatura de
fusión por debajo de la de los metales a unir y también debe ser capaz de mojar ambas superficies
en contacto. En la etapa de enfriamiento, durante el proceso de solidificación, un enlace fuerte y
durable se debe formar entre el material base y el material de aporte (la soldadura); esta etapa es
crítica en términos de fiabilidad de la soldadura (Strauss, 1998).
Las diferencias entre soldaduras blandas y fuertes están en sus puntos de fusión. En las
soldaduras fuertes las temperaturas de fusión están por encima de los 600ºC, lo cual los excluye
de la fabricación de enlaces conductivos en los ensambles electrónicos (Strauss, 1998). Las
soldaduras blandas (de este momento en adelante serán llamadas únicamente soldaduras)
presentan temperaturas de fusión alrededor de los 200ºC, las cuales pueden ser soportadas por los
componentes electrónicos. Estas soldaduras están basadas en la reacción entre los metales a
soldar y la soldadura fundida, en donde el material base interactúa con el material de aporte, que
en este caso se encuentra en estado líquido, y por fenómenos difusivos y por una reacción
metalúrgica se forman compuestos intermetálicos. Para que la unión se realice de manera correcta
5
es fundamental que esta reacción ocurra. La aleación para soldar debe ser calentada, primero para
fundirla, segundo para alcanzar la energía de activación de la reacción y también para mejorar la
capacidad de fluir de la soldadura fundida al lugar donde se va a llevar a cabo la unión definitiva
(Strauss, 1998).
Los productos de la reacción son los llamados compuestos intermetálicos, los cuales se
forman en la interfase entre el metal (substrato sólido) y la soldadura fundida, la cual tiene un
gran efecto sobre las propiedades mecánicas de la unión y sobre su comportamiento a lo largo del
ciclo de vida de la pieza soldada (Strauss, 1998).
El substrato no puede presentar ningún tipo de contaminantes en su superficie, por más
delgadas que sean las capas, por ejemplo de óxidos o cualquier otro tipo de compuestos. Esto se
debe a que estas no permiten que se lleve a cabo la reacción antes mencionada, ya que no existirá
contacto entre la soldadura fundida y el substrato y por consiguiente el proceso de soldadura se
verá impedido (Strauss, 1998).
Por estas razones es necesario el uso de flux para soldar durante los procesos de soldadura,
los cuales remueven capas contaminantes y previenen a su vez la formación de nuevas capas
durante el proceso en sí. El flux debe limpiar no sólo los substratos sino también la soldadura
fundida, ya que las capas de óxidos en la soldadura fundida pueden disminuir su capacidad de
fluir. El flux no está involucrado en la reacción, por lo tanto la naturaleza de la fuerza del enlace
no depende de flux utilizado sino más bien de la naturaleza del compuesto intermetálico formado,
aunque la calidad del enlace sí depende de la calidad del flux (Strauss, 1998).
Existen tres elementos básicos para realizar una soldadura:
1. El material de aporte (soldadura fundida): para llenar el punto de unión
2. El flux: para limpiar las superficies en contacto y para mejorar la mojabilidad entre
la soldadura fundida y los metales a unir.
3. Calentamiento: para fundir la soldadura e iniciar la reacción para la formación de
la fase intermetálica
2.1.1
Material de aporte (aleación para soldar)
La aleación básica y tradicional usada a lo largo de las últimas décadas para soldar
componentes electrónicos sobre circuitos impresos está basada en estaño y plomo. Esta aleación
es utilizada debido a su bajo costo, buena soldabilidad, relativamente baja temperatura de fusión
y a que cumple con las exigencias mecánicas esperadas (Li et al., 2008). Una de las aleaciones
6
más utilizadas es la mezcla eutéctica de Sn-Pb con una concentración en peso de estaño del 63 %
y 37 % para el plomo, una mezcla eutéctica se caracteriza por ser una mezcla de dos o más
sólidos cuyo punto de fusión es el más bajo posible y todos sus constituyentes se cristalizan
simultáneamente a partir del líquido. El diagrama de fases del sistema Sn-Pb se observa en la
Figura 2.1, el cual es un sistema binario eutéctico simple, cuya temperatura eutéctica es de 183ºC.
La temperatura de fusión relativamente baja de esta aleación la hace adecuada para los
componentes electrónicos utilizados en la industria de ensambles electrónicos (sensibles a altas
temperaturas) (Strauss, 1998).
Figura 2.1. Diagrama de Fase del Sistema Sn-Pb (Bath, 2007).
“Debido a legislaciones recientes y por presiones en los mercados, el plomo ha empezado
a ser retirado de los dispositivos electrónicos” (Li et al., 2008). El primer paso concreto para la
eliminación del plomo en los dispositivos electrónicos fue dado por la Unión Europea con la
directiva RoHS (por sus siglas en inglés, Restriction of Hazardous Substances), la cual afecta
únicamente productos comercializados y utilizados dentro de la Unión Europea. Aunque esta
legislación no afecta al mercado global, se ha iniciado la búsqueda de nuevas alternativas para
que gradualmente los productores a nivel mundial busquen cumplir con las regulaciones
impuestas por la RoHS. Por esta razón ha existido en los últimos años un enfoque global en el
desarrollo de soldaduras libres de plomo, especialmente en la industria electrónica (Bath, 2007).
Esta iniciativa se produce por una preocupación ambiental a nivel mundial. El objetivo
principal de este tipo de regulaciones es aumentar las responsabilidades ambientales de los
productores con respecto a sus productos, especialmente en términos de restricciones en la
composición de sus productos y responsabilidades con respecto a los materiales usados al
finalizar su tiempo de vida útil. La RoHS exige que ciertos productos colocados en el mercado
7
europeo a partir del 1ero de Julio de 2006 no deben contener ciertas substancias por encima de los
límites permitidos (Bath, 2007). El parámetro para determinar los límites permitidos fue definido
como el Valor Máximo de Concentración (VMC) y para el caso del plomo o cualquier compuesto
que lo contenga no debe exceder de 0,1% en peso. La definición del VMC aplica a niveles
homogéneos y se refiere a materiales particulares que no pueden ser separados mecánicamente de
otro material. Esta definición es rigurosa, ya que para evitar problemas de interpretación, el VMC
debe ser aplicado para cada tipo distinto de material en cada componente en los ensambles
electrónicos (Bath, 2007).
La búsqueda de alternativas a las soldaduras a base de plomo ha sido un proceso evolutivo
a lo largo de los últimos años. La sustitución de las aleaciones eutécticas de Sn-Pb han presentado
una serie de problemas complejos, especialmente en términos del proceso de fabricación,
rendimiento y fiabilidad, que son aspectos críticos a la hora de diseñar nuevos procedimientos;
sin embargo, estos no han sido los únicos obstáculos durante este proceso de cambio. Esto ha
generado un incremento en las investigaciones sobre las interacciones entre la nueva aleación
para soldar, el material de las placas para los circuitos impresos, los equipos involucrados en el
proceso y los componentes electrónicos. Compañías, consorcios industriales e investigadores
universitarios están tratando de desarrollar lo más rápidamente posible esta nueva rama de la
industria electrónica (Bath, 2007).
La base de diseño de las nuevas soldaduras libres de plomo es tratar de realizar la menor
cantidad de cambios a los procesos de fabricación ya existentes, esto intentando reproducir de la
manera más cercana posible, las propiedades de la aleación eutéctica de Sn-Pb y así disminuir la
inversión económica en nuevos equipos. Esto es un enfoque de diseño lógico, ya que en la
industria electrónica, en específico, en el diseño de tarjetas electrónicas y en todas las
aplicaciones de la microelectrónica, ha sido utilizada esta aleación eutéctica por los últimos
cincuenta años. El diseño de circuitos electrónicos impresos (PCB) y sus componentes han sido
fabricados usando como base el comportamiento de las soldaduras a base de plomo (Bath, 2007).
En 1999, la directiva sobre desechos eléctricos y electrónicos, WEEE (por sus siglas en
inglés, Waste Electrical and Electronic Equipment), de la Unión Europea y la RoHS lograron la
iniciativa de que la NEMI (por sus siglas en inglés, National Electronic Manufacturing Process)
estableciera un conjunto de criterios para el diseño de las nuevas soldaduras libres de plomo.
8
En los últimos años, un consenso internacional se ha alcanzado en términos del desarrollo
de aleaciones ternarias de la familia Sn-Ag-Cu (estaño-plata-cobre) como los sucesores más
prometedores de las aleaciones con plomo.
Las bases de diseño para la nueva soldadura dispuesta por la NEMI son:
•
•
•
•
•
Tener un punto de fusión lo más cercano posible al del sistema eutéctico de Sn-Pb
Ser eutéctico o lo más cercano posible
Ser una aleación ternaria (no mayor a tres elementos)
Evitar, si es posible, usar patentes ya existentes
Tener un potencial de confiabilidad igual o mayor que la del sistema eutéctico SnPb. (Bath, 2007).
A partir de estos criterios, NEMI emitió a la familia ternaria de estaño-plata-cobre, Sn-Ag-
Cu (SAC) como la solución más prometedora. “Estas soldaduras tienen una combinación de
puntos de fusión razonables, presentan buena resistencia a esfuerzos térmicos, buena resistencia a
la fatiga y buenas condiciones de mojabilidad superficial con conductores y almohadillas de
cobre” (Zheng et al., 2002). El diagrama de fases del compuesto ternario se presenta en la Figura
2.2.
Figura 2.2. Diagrama de fase del sistema Sn-Ag-Cu(Bath, 2007).
“El proyecto de consorcio de la Unión Europea, IDEALS (por sus siglas en inglés,
Improved Design Life and Environmentally Aware Manufacturing of Electronics Assemblies by
Lead-Free Soldering) recomendó la aleación Sn-3,8Ag-0,7Cu” (Bath, 2007). Los índices de SnxAg-yCu representan el porcentaje en peso de cobre y plata en el material de aporte (aleación
9
para soldar). También puede ser abreviada como %p. El resto del porcentaje corresponde al
estaño.
La Figura 2.3 muestra en detalle una zona del diagrama de fases, la cual es la zona de
interés para la industria de soldaduras (zona eutéctica y la zona cercana a la eutéctica). Haciendo
una comparación de la temperatura de fusión del punto eutéctico en el sistema Sn63Pb37 (183ºC)
en contra del punto de fusión de los sistemas de Sn-Ag-Cu, el cual comienzan a fundirse a
temperaturas cercanas a los 217ºC, se observa que las nuevas soldaduras libres de plomo generan
un aumento significativo en las temperaturas del proceso de soldadura.
Figura 2.3. Diagrama de fase Sn-Ag-Cu. Zona de alta composición de estaño (Bath, 2007).
2.1.2
Compuesto de acondicionamiento para soldar (flux)
Los flux son compuestos orgánicos ácidos usados en los procesos de soldadura para
limpiar y activar las superficies que van a ser unidas entre sí, a fin de mejor la mojabilidad. Los
flux son capaces de reducir óxidos en las superficies metálicas (Figura 2.4). Debe asegurarse que
los residuos de los flux no dañen los PCB a largo plazo, ya que son compuestos que por
naturaleza son corrosivos; debido a esto, en los procesos de soldadura es necesaria una selección
cuidadosa de los mismos. Debe encontrarse un buen equilibrio entre las cualidades de limpieza
del flux y el posible daño que puedan producir los residuos en las partes involucradas en el
proceso.
10
Existe unaa selección de compueestos que se activan a altas tempperaturas y no son
corrossivos mientrras estén fríos. Estos caandidatos soon ácidos orrgánicos, quue cumplen con los
requerrimientos antes mencionnados.
F
Figura
2.4. Acción
A
reducttora de los flux.
fl
s
típiccamente utilizados en loos procesos de soldadurra tienen
Los ácidoss orgánicos sólidos
alto niivel de solub
bilidad en allcoholes. Deebido a esto, los flux sonn diluidos enn alcoholes para
p
una
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ncilla en los procesos inddustriales.
A continuaación se preesentan dos tipos difereentes de fluxx utilizados en los proccesos de
soldaddura:
1. Flux/resinaa es un extraacto obteniddo de la desttilación del tronco
t
de loos árboles dee pino, y
pulpa de madera.
m
Conntienen comppuestos orgáánicos, principalmente de la familiia de los
ácidos diteerpénicos (C
C-20). Los ácidos
á
diterppénicos en el
e flux/resina son hidroccarburos
policíclicos con grupoos funcionales de ácidos carboxílicos. El comppuesto activo en los
á
abiéticco; en la Fiigura 2.5 see puede observar su
flux/resinaa es principaalmente el ácido
estructura molecular.
m
E compueesto presentaa un punto dee fusión de 172ºC.
Este
1
El fluux resina
también pu
uede presenttar homólogos como loss ácidos neoabiéticos, deehidroabiéticco, entre
otros.
Figura 2.5. Ácido Abiéticco, componeente principaal del flux ressina
11
2. El flux/ácido está com
mpuesto princcipalmente por
p una mezccla de ácidoss dicarboxíliicos (C6,
C8 y C10), los cuales son cadenass de hidrocarrburos con grupos
g
carbooxilo a cada extremo
de la moléécula. Los componente
c
s principales son: ácidoo adípico (C
C6), cuya esstructura
puede ser observada en
e la Figuraa 2.6 y cuyoo punto de fusión
f
es 1551ºC; ácido subérico
(C8), repreesentado en la Figura 2.77 , con un puunto de fusión de 144ºC
C y el ácido sebásico
(C10), (Fig
gura 2.8) ,con un punto de
d fusión de 134ºC.
F
Figura
2.6. Estructura
E
deel ácido adípico
F
Figura
2.7. Estructura dell ácido subérrico
F
Figura
2.8. Estructura dell ácido sebássico
2.1.3
Calentamiiento para soldar
s
Los processos convenciionales de sooldadura se realizan utillizando soldaaduras fundiidas, por
peraturas dee soldadura deben
d
estar siempre
s
por encima
e
del punto
p
de fusiión de la
esta raazón las temp
aleacióón para sold
dar. En el casso de las solddaduras librees de plomo basadas en la
l familia dee Sn-AgCu, laa temperaturra del proceso debe estaar por encim
ma de los 217ºC. Norm
malmente, el entorno
inmeddiato de la zo
ona donde se va a realizzar la unión o de todo el
e ensamble electrónico debe ser
llevaddo a la temp
peratura de soldadura.
s
S embargoo, la temperaatura exactaa de la soldaadura se
Sin
definee por el méto
odo de soldaadura a empplear, y es mucho
m
más alto
a que el puunto de fusiión de la
aleacióón de soldarr (Strauss, 19998).
12
La transferencia de calor durante el proceso de soldadura es un factor importante a ser
estudiado con el fin de optimizar la velocidad del proceso. Los materiales involucrados en el
proceso presentan diferentes conductividades térmicas, como se observa en la Tabla 2.1 . La
conductividad térmica, que es una propiedad intrínseca de los materiales, indica la capacidad de
los materiales de conducir calor. El flujo térmico depende directamente de la diferencia de
temperatura y el área de transferencia, y depende inversamente del grosor del material.
La diferencia de conductividades térmicas entre los materiales presentes en los ensambles
electrónicos determinará como el calor se propagará durante el proceso. Un ejemplo es que los
compuestos orgánicos (tarjetas a base de epóxido FR 4 y flux) tienen una conductividad térmica
más baja en comparación con los metales (cobre, aluminio y acero); esta es una de las razones
por las cuales una etapa de precalentamiento es necesaria, en el proceso, ya que se necesita más
energía y más tiempo para elevar la temperatura de las tarjetas a base de epóxido FR4 en
comparación con la energía necesaria para la calentar las placas metálicas.
Tabla 2.1. Propiedades de materiales usados en el proceso de soldadura (Bath, 2007)
Material
Conductividad térmica (W/cm K)
Calor específico (J/kg K)
Cobre
3,9
390
Aluminio
2,2
880
Acero
0,5
460
FR 4, flux resina
0,002
-
(compuestos orgánicos)
2.2
Proceso Industrial de Soldadura Selectiva. Proceso de Producción Masiva
El proceso de soldadura selectiva es el proceso mediante el cual los componentes
electrónicos y mecánicos son soldados selectivamente en circuitos impresos en la industria
electrónica. El proceso de soldadura selectiva es un proceso flexible que se usa para componentes
con alambres externos metálicos que no pueden ser soldados por otros tipos de procedimientos,
como por ejemplo soldaduras por reflujo.
El proceso de producción masiva es un proceso continuo, el cual puede ser dividido en
tres etapas:
1. Aplicación de Flux:
13
La primera etapa del proceso es la aplicación del flux sobre el PCB. La aplicación se
realiza con pinceles pequeños que previamente han sido sumergidos en un baño de flux.
2. Precalentamiento del Flux
En la segunda fase el PCB se precalienta siguiendo un perfil de temperatura previamente
diseñado, para evaporar los disolventes y activar los ácidos orgánicos. Esta fase es
también necesaria para reducir el choque térmico durante el contacto del PCB y la
soldadura fundida. Una variación drástica de temperatura puede afectar los componentes
electrónicos durante el proceso.
3. Soldadura
La última etapa es el proceso de soldadura en sí. Un diagrama del proceso se presenta en
la Figura 2.9.
Figura 2.9. Diagrama del proceso de soldadura selectiva
Los crisoles, como se observa en la Figura 2.10, son piezas de acero con recubrimientos
galvánicos de cobre y estaño, cuyas características serán especificadas en la sección 2.2.1.
estos permanecen dentro del baño de soldadura durante el proceso y son elevados cuando
el PCB haya alcanzado la posición de soldadura. La superficie del baño de soldadura
permanece bajo una atmósfera de nitrógeno, a fin de reducir la velocidad de formación de
óxidos de estaño sobre el material de aporte de la soldadura. La reducción en la formación
de óxidos de estaño mejora la calidad de la soldadura, ya que se mejoran las condiciones
de mojabilidad de los componentes, la soldadura y el PCB.
14
Figura 2.10. Crisoles del proceso de producción de soldadura selectiva masiva
La aleación fundida se levanta por el crisol y debido a fuerzas de tensión superficial, la
aleación fundida forma un casquete esférico. Los crisoles son elevados del baño de
soldadura y se ponen en contacto con la parte inferior del PCB, donde se encuentran los
pines a soldar. Los crisoles están montados en un soporte o sujetador metálico que se
mantiene dentro de la atmósfera de nitrógeno durante el proceso de soldadura. Sólo la
parte superior de los crisoles quedan por fuera de la atmósfera de nitrógeno durante el
proceso. Las altas temperaturas y la presencia de flux activado mejora la mojabilidad de
los pines. Debido a fuerzas de capilaridad la soldadura fundida fluye hacia el pin llenando
la brecha entre los orificios de la placa y el propio pin del componente. El contacto entre
los crisoles y el PCB dura unos segundos para permitir el flujo de la soldadura fundida.
Posteriormente, los crisoles se sumergen en el baño de soldadura y el PCB sigue a través
de la línea hasta salir del equipo de soldadura. El equipo de producción masiva de
soldadura selectiva se muestra en la Figura 2.11.
Figura 2.11. Equipo de soldadura selectiva.
15
2.2.1
Crisoles para soldar
Los crisoles utilizados para la soldadura selectiva son muestras de acero St37k recubiertos
galvánicamente de estaño y cobre. Las muestras tienen una cavidad en la parte superior donde la
soldadura fundida permanece durante la etapa de elevación de las muestras. Las muestras
utilizadas en los experimentos a escala tienen una perforación en la parte inferior para su fijación
en el equipo de soldadura. Las dimensiones de los crisoles utilizados para los experimentos a
escala se muestran en la Tabla 2.2. Las Figura 2.12 y Figura 2.13 muestran la ubicación de las
mediciones.
Tabla 2.2. Dimensiones de los crisoles para soldar (medidas aproximadas)
Largo
48,7 mm
Diámetro
Profundidad de la
Espesor de la
Diámetro de perforación
Externo
cavidad superior
pared en el tope
para la fijación
7,7 mm
7,3 mm
0,7 mm
2,0 mm
Figura 2.12. Descripción de los crisoles tal como fueron recibidos.
Figura 2.13. Sección transversal y diagrama de representación del tope de los crisoles.
16
2.3
Métodos de análisis
En esta sección se explicarán los métodos de análisis y equipos utilizados para la
caracterización de los crisoles.
2.3.1
Microscopía óptica
La microscopía óptica es una técnica de microscopía que utiliza luz visible y en un sistema
de lentes para magnificar áreas de una muestra específica. La luz es reflejada sobre la zona a ser
analizada, la cual es captada por el objetivo (sistema de lentes), luego magnificada y por último
analizada u observada por el ojo humano o por una cámara acoplada al microscopio. Este tipo de
microscopios, al utilizar luz visible, da la posibilidad de diferenciar colores.
2.3.2
Microscopía electrónica y espectrometría de fluorescencia de rayos X
La microscopía electrónica de barrido (MEB) es una técnica de microscopía en la que un
haz de electrones enfocado de alta energía escanea la superficie de la muestra en un patrón
rasterizado, con el fin de generar imágenes de alta resolución. El análisis MEB en muchas
aplicaciones es más relevante por su capacidad de análisis de profundidad en lugar que sus
imágenes de alta resolución. Los microscopios de barrido electrónico suelen tener integrados
espectrómetros de rayos X que permite un análisis elemental de una zona determinada de la
muestra (Reed, 2005).
“Los rayos X son generados como consecuencia de la expulsión de un electrón de un nivel
interno (de baja energía) por un electrón energético generado por una columna de electrones”
(Briggs et al., 2000). La vacante dejada por el electrón expulsado es llenada por un electrón de un
nivel energético superior, emitiendo un fotón de energía en el rango de frecuencia de los rayos X.
La Figura 2.14 muestra la emisión de rayos X a partir de un modelo de átomo de Bohr.
Figura 2.14. Modelo de emisión de rayos X
17
Los rayos X pueden ser analizados utilizando métodos de dispersión de longitud de onda o
por métodos de dispersión de energía (EDX, por sus siglas en inglés, Energy Dispersive X-Ray
Spectroscopy). El método de dispersión de energía utiliza un detector semiconductor, los fotones
de rayos X crean pulsos de carga en el detector que luego son convertidos en pulsos de voltaje.
La amplitud de los pulsos de voltaje refleja el nivel de energía de los rayos X detectados, el cual
es característico de cada elemento. El pulso de voltaje es convertido en una señal digital que
genera una cuenta, la cual es agregada al canal de voltaje correspondiente en un analizador
multicanal (Briggs et al., 2000).
El espectro de rayos X contiene líneas características de los elementos presentes en el área
analizada. Un análisis cualitativo se puede obtener de manera sencilla mediante la identificación
de las líneas de energía característica a cada elemento.
Una ventaja del análisis con MEB es la posibilidad de obtener información sobre la
naturaleza de los elementos en los puntos de análisis, gracias al acople de este microscopio con el
analizador EDX. Una de las diferencias entre las imágenes del MO y del MEB es el contraste de
colores. En las imágenes MEB sólo se obtienen imágenes en una escala de grises, aunque el
microscopio puede generar contrastes topográfico utilizando electrones secundarios para generar
las imágenes y contrastes químicos al utilizar electrones retro dispersados. Utilizando los
electrones retro dispersados es posible diferenciar elementos en los puntos de análisis: los
elementos más pequeños (números atómicos bajos) generan zonas con colores oscuros (negro o
gris oscuro), en cambio elementos más grandes son observados en tonalidades más claras. Por
otro lado las imágenes generadas por microscopios ópticos producen todo tipo de colores, lo que
a la hora de realizar un análisis comparativo puede ser más ilustrativo. Las imágenes de un MEB
son típicamente 100 veces mayores en términos de análisis de profundidad en comparación con
los microscopios ópticos.
CAPÍTULO 3
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
3.1
Caracterización de los crisoles metálicos
La caracterización de los crisoles fue realizada utilizando un procedimiento sistemático
con el fin de analizar todas las muestras de una manera uniforme. Esto permitió comparar crisoles
de una manera más confiable, a fin de proponer posibles mecanismos de fallas en las partes
móviles del proceso de soldadura (crisoles).
El procedimiento consistió en analizar la superficie del crisol y la sección transversal del
mismo utilizando tanto microscopía óptica (MO) como microscopía electrónica de barrido
(MEB) acoplada con espectrocometría de fluorescencia de rayos X (EDX). El primer paso fue el
análisis de muestras en estado de entrega por microscopía óptica; luego, en algunos puntos
representativos de la superficie fueron realizados estudios con MEB y EDX. Posteriormente se
observaron los cortes transversales de los crisoles, los cuales fueron obtenidos con una sierra para
luego ser embutidos en resina epóxica. Antes de las observaciones bajo los microscopios, los
cortes fueron preparados metalográficamente (desbaste con papeles de carburo de silicio más
pulido con pasta de diamante). Mediante este procedimiento fue posible observar y analizar la
sección transversal, con el fin de determinar el espesor de las capas y su composición química.
3.2
3.2.1
Experimentación en equipo de producción industrial
Estudio del posicionamiento de los crisoles en el proceso industrial
Este grupo de experimentos fue realizado con el fin de determinar si existía algún tipo de
influencia en la formación de áreas no mojables en las paredes de los crisoles con respecto al
posicionamiento de los mismos dentro del baño de soldadura. Estas áreas fueron observadas en
investigaciones previas a este estudio. El posicionamiento de las muestras sobre el soporte para
soldar se observa en la Figura 3.1. Los experimentos siguieron el procedimiento estándar del
proceso de soldadura selectiva industrial, utilizando como sustancia de acondicionamiento el
flux/resina.
19
Figura 3.1. Posición de las muestras en el soporte para soldar.
Las Tablas 3.1 y 3.2 muestran las variaciones realizadas durante la investigación. Los
ensayos fueron definidos como: V1, V2 y V3. El primer ensayo constó de 120 inmersiones, el
segundo de 180 y el tercero de 60.
Para los ensayos V1 y V3 las muestras fueron colocadas de la misma manera y su
ubicación se puede apreciar en la Tabla 3.1; el grupo V2 se observa en la Tabla 3.2.
Tabla 3.1. Posicionamiento de las muestras en los procedimientos V1 y V3
Muestra
Posición
1
A
2
B
3
C
4
D
5
E
Tabla 3.2. Posicionamiento de las muestras en el procedimiento V2
Muestra
Posición
1
C
2
D
3
A
4
B
5
E
20
3.2.2
Daños mecánicos sobre los crisoles
Se realizaron investigaciones adicionales con el fin de determinar si algún daño mecánico
externo pudiera generar la formación de áreas no mojables en las paredes del crisol durante el
proceso de soldadura. Tres tipos de daño mecánico fueron evaluados:
•
Muestras 1 y 5: son las muestras de referencia y se colocaron en el soporte de la forma
estándar del proceso.
•
Muestra 2: fue posicionada un cuarto de giro más elevada que la posición estándar. Con
esto se generó un contacto más fuerte entre la muestra y el PCB, y trató de reproducir un
ensamblaje errado del crisol sobre el soporte.
•
Muestra 3: la pared del crisol fue rayada con un lápiz metálico antes de la etapa de
precalentamiento (inmersión de 30 minutos en la soldadura fundida). Esto simula un daño
mecánico previo al inicio del proceso de soldadura.
•
Muestra 4: la pared del crisol fue rayada con un lápiz metálico luego de la etapa de
precalentamiento de las muestras, lo que simula un daño durante el proceso de soldadura.
3.3
Experimentación a escala de laboratorio
Durante estos experimentos se estudió el efecto de distintas sustancias de
acondicionamiento simulando el proceso de inmersión y elevación de los crisoles en el baño de
soldadura líquida, sin la realización de una soldadura. Estos ensayos permitieron evaluar el estado
de la superficie del crisol con los ciclos de inmersión y la posible formación de áreas no mojables
en las paredes del mismo.
3.3.1
El equipo de soldadura
Los experimentos a escala de laboratorio fueron realizados utilizando el montaje que se
muestra en la Figura 3.2. Este se compone de: un baño de soldadura con un controlador de
temperatura, (Zevatron Löttechick LBR-1A) y un equipo de inmersión de los crisoles con un
controlador de tiempo y distancia de inmersión, (Zevatron Löttechnik HT-100).
21
Figura 3.2. Montaje experimental para ensayos de inmersión de crisoles metálicos a escala de
laboratorio
El baño de soldadura se llenó con la aleación Sn3,0Ag0,5Cu en estado fundido. El
controlador de temperatura fue ajustado a la temperatura máxima de soldadura, la cual no puede
ser reportada por razones de confidencialidad.
El equipo de inmersión posee un brazo donde las muestras son fijadas utilizando un cable
metálico, como se observa en la Figura 3.3. El brazo tiene un rango de movimiento de 100 mm
con una precisión de 0,1 mm y una velocidad lineal de 25 mm/s. El ciclo comienza cuando el
crisol se encuentra fuera del baño de metal fundido; la etapa intermedia consiste en la inmersión
completa del crisol en el baño durante aproximadamente 15 s y posteriormente el crisol es
elevado. El ciclo finaliza al aplicar el flux sobre el crisol.
Figura 3.3. Sistema de fijación del crisol en el baño metálico.
22
3.3.2
Sustancias de acondicionamiento (flux)
Tres tipos de flux fueron utilizados en la investigación a escala de laboratorio: flux/resina,
flux/ácido y la mezcla de ambos.
El flux/resina y el flux/ácido se utilizaron en su forma diluida con una composición mayor
al 90% (p/p) de 2-propanol y menor al 5%(p/p) de componente activo según las especificaciones
del fabricante. El flux resina y el flux ácido son de color amarillo claro e incoloro,
respectivamente (Figura 3.4). El flux/mezcla, es una combinación de los dos flux anteriores, cuyo
proporción no puede ser revelada por razones de confidencialidad; este presenta un color amarillo
claro como se observa en la Figura 3.4.
Figura 3.4. Flux utilizados durante la investigación.
3.3.3
Método de aplicación del flux
Las sustancias de acondicionamiento fueron aplicadas sobre el crisol metálico luego de
una etapa de precalentamiento siguiendo el procedimiento esquematizado en la Figura 3.5.
Durante la etapa de precalentamiento tiene lugar la evaporación del diluente y la “activación” de
los componentes del flux. Para ello se utilizaron dos tipos de aplicadores: un recipiente de
aluminio y una placa de acero, ambos con espesores diferentes (0,1 mm de espesor para el
recipiente de aluminio y 1 mm para la placa de acero). Esto se realizó con el objeto de simular
variaciones en las temperaturas de contacto entre el crisol y el PCB, durante el proceso de
soldadura a escala industrial.
23
Figura 3.5. Representación del proceso de precalentamiento y aplicación del flux.
3.3.3.1 Tipos de aplicadores
El recipiente de aluminio y la placa de acero fueron los soportes utilizados para la
aplicación de las sustancias de acondicionamiento y se observan en la Figura 3.6. En ellos se
vertía cierta cantidad de flux, y se colocaban sobre una plancha térmica hasta alcanzar la
temperatura tope de la etapa de precalentamiento del proceso industrial. Una vez evaporado el
diluente, los aplicadores se volteaban y se ponían en contacto con el tope de los crisoles para
simular la aplicación del flux durante el proceso de soldadura.
Figura 3.6. Aplicadores de flux utilizados en los experimentos a escala de laboratorio
CAPÍTULO 4
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1
4.1.1
Caracterización de los crisoles
Caracterización de los crisoles en su estado de entrega
Los crisoles utilizados en el proceso de soldadura selectiva son muestras cilíndricas de
acero St37k (SAE 1015) recubierto galvánicamente con estaño y cobre. En la Figura 4.1 se
observa una fotografía de la superficie del crisol, la cual presenta un color plateado característico
del recubrimiento galvánico.
Figura 4.1. Imagen de MO de una muestra de referencia
La sección transversal del crisol metálico observada mediante microscopía óptica se
muestra en la Figura 4.2. En ella se pueden apreciar cuatros capas de distintos colores donde la
capa más externa, de color negro oscuro, corresponde al material utilizado para embutir el corte
del crisol (resina epóxica). Las capas subsiguientes de color gris claro y cobre corresponden al
recubrimiento galvánico de estaño y cobre según la información suministrada por el fabricante.
Los espesores fueron aproximadamente 32,2 μm y 8,5 μm para cada una de estas capas, estos son
ligeramente inferiores a los reportados en la ficha técnica (10-15 μm para el recubrimiento de
cobre y 15-25 μm para el de estaño. La última capa corresponde al material base de los crisoles
(acero).
25
Figura 4.2. Sección transversal con MO. Muestra de referencia
La Figura 4.3 muestra la misma imagen obtenida mediante microscopía electrónica de
barrido utilizando un detector de electrones secundarios. Se notan cuatro capas que se diferencian
por el contraste en la escala de grises, observándose un buen acuerdo entre los espesores
estimados mediante esta técnica y la técnica de microscopía óptica.
La composición química de las diferentes capas fue determinada utilizando un analizador
de energía dispersiva (EDX). La Figura 4.3 muestra los espectros obtenidos directamente por el
software del analizador. Estos espectros se normalizan respecto a la señal de intensidad máxima a
fin de comparar la cantidad relativa de cada elemento en los distintos puntos de análisis. El
espectro 1 revela la composición química del crisol, este indica la presencia de hierro como
elemento mayoritario del material base como era de esperarse para el material base. El espectro 2
presenta al cobre como principal elemento lo que está en acuerdo con el color rosado de la capa
observada mediante microscopia óptica. El espectro 3 revela que la capa gris clara es rica en
estaño con algunas incrustaciones de silicio (espectro 4). Dicho elemento puede provenir de los
papeles de carburo de silicio utilizados durante la preparación superficial de las muestras, antes
de ser observadas al microscopio electrónico. Adicionalmente, se detectó hierro en los espectros
2 y 3. Este elemento pudo haberse quedado adherido a la superficie del crisol durante el proceso
de desbaste y pulitura.
26
Figura 4.3. Sección transversal con MEB. Muestra de referencia
4.1.2
Caracterización de los crisoles luego de la primera inmersión en el baño fundido
La Figura 4.4 presenta el estado superficial de un crisol luego de haber sido expuesto al
pretratamiento inicial, el cual consiste en una inmersión durante 30 minutos en la soldadura
fundida, sin aplicación previa de flux. A simple vista el crisol cambia de color respecto al crisol
virgen. Luego del pretratamiento, la superficie del crisol es homogénea de color dorado claro
característico de la formación de óxidos de estaño, tales como SnO y el SnO2, según Hetschel et
al, 2008.
27
Figura 4.4. Imagen bajo MO del crisol pretratado.
Investigaciones de Abtew & Selvaduray, 2000 y Cho et al., 2005 revelan que los óxidos
de estaño son estables a las temperaturas a las que se encuentra el metal fundido durante el
proceso de soldadura. Dichos compuestos resultan de la oxidación de la aleación fundida que
queda adherida a la pared del crisol luego de la primera inmersión. Así los óxidos de estaño se
forman cuando el metal líquido entra en contacto con el oxígeno del ambiente durante la
elevación del crisol para realizar la soldadura selectiva. En la Figura 4.5 se presenta el diagrama
de Elligham para la oxidación del estaño el cual confirma la estabilidad del SnO2 a las
temperaturas del proceso y la presión parcial de oxígeno correspondiente a la presión atmosférica.
Figura 4.5. Diagrama de Ellingham del Sn
(http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ellingham_diagrams/interactive.php).
28
La Figura 4.6 muestra la imagen del crisol pretratado utilizando microscopía electrónica
de barrido. Se observa la microestructura dendrítica de la aleación para soldar característica de la
rápida solidificación del estaño fundido sobre la superficie del crisol. Según Goong et al., 2007,
estas dendritas son ricas en β-Sn las cuales pueden estar rodeadas de compuestos intermetálicos
del tipo Cu6Sn5 y Ag3Sn. Estos autores señalan que el compuesto intermetálico Cu6Sn5 forma
conglomerados circulares, mientras que el Ag3Sn presentan una morfología de placas alargadas.
Figura 4.6. Imagen MEB de la muestra 2a (crisol pretratado).
La observación mediante MO de la sección transversal de los crisoles pretratados revela la
presencia de cuatro capas de diferentes tonalidades (Figura 4.8). Cabe destacar que estas capas
presentan un color diferente al ser comparadas con aquellas observadas en la sección transversal
de los crisoles en estados de entrega (Figura 4.2). Se nota la ausencia de la capa de color rosado,
lo que sugiere que el recubrimiento galvánico de cobre y estaño se disuelven en el baño de metal
fundido durante la etapa de pretratamiento.
Analizando la imagen de derecha a izquierda: el área de color negro representa la resina
epóxica utilizada para el proceso de seccionamiento transversal. La capa de color blanco
corresponde a la aleación para soldar solidificada, rica en β-Sn. La sección gris clara pudiera
corresponder a una fase intermetálica (FIM) del tipo FeSn2 que se forma durante el contacto
directo entre el metal base (acero) y la soldadura fundidad (Sn) a temperaturas superiores a los
232ºC (temperatura de fusión del estaño puro). La estabilidad termodinámica de este compuesto
intermetálico se evidencia sobre el diagrama de fases del sistema Fe-Sn (Figura 4.7). En efecto,
de la serie de compuestos intermetálicos estables a las temperaturas del proceso, el primero en
29
formarse corresponde a el FeSn2 cuando el estaño se incorpora a una matriz de hierro. Finalmente
la capa gris oscura corresponde al acero base de las muestras.
Figura 4.7. Diagrama de fase Fe-Sn.
Figura 4.8. Imagen de la sección transversal de un crisol pretatado. Capas internas (MO).
4.2
Resultados de la experimentación en equipo de producción industrial
La presente sección presenta los resultados y el análisis que se deriva del estudio de la
caracterización de los crisoles utilizados en el proceso industrial.
30
4.2.1
Caracterización metalúrgica de las zonas no mojables
Para el estudio de las zonas no mojables dos tipos de flux fueron aplicados durante un
número diferente de inmersiones 285 aplicando el flux/resina y 500 inmersiones con el flux/ácido.
La Figura 4.9 muestra micrografías de las superficies de los crisoles luego de ser sometidos a las
condiciones mencionadas anteriormente. Se observa que ambas muestras presentan un anillo
oscuro en la parte superior del crisol y además se nota la perdida de material en esta zona. De
acuerdo a reportes técnicos, estas zonas corresponden a la formación de áreas no mojables por el
metal fundido afectando el proceso de soldadura selectiva, lo que genera defectos en los puntos a
soldar. Este daño en las partes móviles del sistema constituye la falla que se desea analizar a fin
de proponer un mecanismo que permita explicar la ocurrencia de la misma. Esta falla afecta la
capilaridad del sistema generando anomalías en los puntos de soldadura como se observa en la
Figura 4.10.
Figura 4.9.Área superficial de los crisoles luego de ser sometidos a (a) 285 y (b) 500 ciclos de
inmersión en el baño de metal fundido, aplicando flux/resina y flux/ácido respectivamente.
El crisol (a) presenta un color dorado y el crisol (b) es de color plateado. Las diferencias
en color entre los crisoles pueden ser explicadas por la localización de las muestras durante la
etapa final de enfriamiento, es decir, el color dorado característico de los óxidos de estaño supone
que el crisol (a) sufrió un enfriamiento bajo una atmósfera oxidante. Por lo contrario, el crisol (b)
pudo haberse enfriado bajo la atmósfera de nitrógeno del equipo de soldadura industrial, lo que
31
disminuye la probabilidad de formación de los óxidos adoptando así el color plateado del estaño
metálico. Ambos crisoles fueron utilizados en el equipo industrial bajo las mismas condiciones.
Figura 4.10. Punto de soldadura correcto (derecha) y punto de soldadura incorrecto (izquierda)
El anillo oscuro de aproximadamente 1,3 mm de ancho observado en la parte superior de
ambos crisoles es característico de la presencia de zonas no mojables como ya se mencionó. Es
precisamente esta zona donde ocurre el contacto entre el crisol y la parte inferior del PCB donde
fue aplicado el flux durante la primera etapa del proceso de soldadura selectiva industrial.
La Figura 4.11 muestra una imagen amplificada de la zona no mojable. Allí se pueden
apreciar líneas verticales que fueron identificadas como las marcas dejadas por el torno durante el
proceso de fabricación de los crisoles. Esta observación sugiere la ausencia de la capa de β-Sn en
la parte superior del mismo. Además, se observan manchas de color marrón en los alrededores de
los anillos, las cuales sugieren la adherencia de residuos de flux en la zona afectada o productos
de corrosión.
Figura 4.11. Muestra (a). Amplificación de la superficie del anillo.
La zona no mojable se analizó mediante MEB-EDX para obtener información acerca de la
morfología y la composición química en la superficie (Figura 4.12). En ambos casos el resultado
32
fue similar: la zona no mojable presenta una morfología irregular, en la que se observan
afloramientos rodeados por una superficie relativamente lisa. Los resultados del EDX revelan que,
independientemente del punto de análisis, el elemento preponderante sobre la superficie metálica
es el estaño. Este resultado era esperado debido a la alta composición de este elemento en la
aleación para soldar. En los afloramientos se detectó hierro, lo que sugiere la ausencia de la capa
de β-Sn en estas zonas, exponiendo así la fase intermetálica rica en hierro al ambiente oxidante.
Este resultado se corroboró analizando la sección transversal del crisol por EDX (Figura 4.13) en
la que se pudo observar una pérdida substancial de la capa de β-Sn generando un perfil irregular
en la capa externa. Por otra parte, la detección de carbono y oxígeno pudiera indicar la presencia
de compuestos orgánicos provenientes de los residuos de flux y/o la formación de óxidos tanto de
estaño como de hierro en la superficie del crisol, respectivamente. En efecto, el análisis del
diagrama de Elligham para el hierro (Figura 4.14), indica la estabilidad de distintos óxidos de este
elemento (Fe2O3/Fe3O4) a las condiciones del proceso (temperatura y presión parcial de oxígeno),
lo que hace pensar que la formación de una capa de óxidos de hierro le confiere a esta zona un
carácter no mojable.
En la Figura 4.15 se muestra una imagen amplificada de las manchas de color marrón
observadas en la Figura 4.11. Se observa que estas manchas presentan una tonalidad oscura al ser
comparada con la matriz. Los espectros 1 y 3 fueron tomados en estas zonas detectándose una
cantidad considerable de carbono si se compara con el de la matriz (punto de análisis 2). Este
resultado indica que estas formaciones son de naturaleza orgánica las cuales pueden atribuirse a
la adherencia de residuos de flux sobre la superficie metálica durante los ciclos de inmersión. La
presencia de elementos de sodio y cloro en el análisis EDX pueden atribuirse a la contaminación
de las muestras durante su manipulación.
33
Figura 4.12. Análisis superficial de MEB-EDX en el área no mojable de la muestra (a)
Figura 4.13. Análisis de sección transversal en zona no mojable con MEB-EDX.
34
Figura 4.14. Diagrama de Elligham del Fe.
(http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/ellingham_diagrams/interactive.php)
4.2.2
Efecto del posicionamiento de los crisoles sobre la ocurrencia de la falla.
Este grupo de experimentos fueron realizados con el fin de determinar la influencia del
posicionamiento de los crisoles dentro del baño de soldadura sobre la formación de zonas no
mojables. La posición de los crisoles en el soporte para soldar se detalló en la sección 3.2.1 del
procedimiento experimental.
En el primer grupo de experimentos el crisol 5_V1 (posición E) presentó en la superficie
las formaciones típicas de un superficie totalmente mojable (Figura 4.16). Contrariamente, la
muestra 1_V1 (posición A) presentó áreas no mojables en la parte superior con presencia de altas
cantidades de residuos de flux en la zona afectada (Figura 4.16). Al realizar el análisis EDX sobre
la zona no mojable se detectó hierro, lo que indica la ausencia de la capa de β-Sn en la superficie
del crisol con la consecuente exposición de la fase intermetálica a la atmósfera oxidante.
35
Figura 4.15. Análisis MEB-EDX de estructuras marrones en las áreas no mojables de los crisoles.
Figura 4.16. Imagen de las muestra 5_V1 y 1_V1, respectivamente.
36
Esta experiencia se reprodujo con el grupo de muestras V3; en este caso, ninguno de los
crisoles mostró rastros de zonas no mojables ni de residuos de flux. Por otra parte, al variar la
posición de los crisoles en el grupo V2, sólo se observaron residuos de flux en la parte superior
de los crisoles sin detectar áreas no mojables. Así, los resultados obtenidos a partir de la variación
del posicionamiento de los crisoles en el soporte para soldar no fueron reproducibles y por lo
tanto no se encontró una relación concluyente entre el posicionamiento de los crisoles y la
ocurrencia de la falla.
4.2.3
Influencia de daños mecánicos en la superficie del crisol sobre la formación de zonas
no mojables
Se realizó una investigación adicional con el fin de determinar si algún daño mecánico
externo en la superficie de los crisoles pudiera generar la formación de áreas no mojables durante
el proceso de soldadura (sección 3.2.2).
Como se describió anteriormente, los daños mecánicos se realizaron de dos maneras:
simulando un montaje incorrecto de los crisoles en el soporte colocándolos un cuarto de giro más
elevado que la posición estándar y realizando marcas con un objeto cortante sobre la superficie
del crisol previo a la etapa de pretratamiento (a), y luego de la primera inmersión (b).
Al simular daños mecánicos en la superficie del crisol por un montaje incorrecto, se
encontró que este no presentó ningún rastro de zonas no mojables a pesar de que éste crisol haya
impactado el punto de soldadura antes que el resto de los crisoles. Estos resultados sugieren que
el posicionamiento elevado del crisol no tiene influencia sobre la formación de zonas no mojables.
Al utilizar un objeto cortante siguiendo el procedimiento (a) no se detectaron zonas no
mojables sobre el crisol, lo que demuestra que este fue totalmente cubierto por el baño de estaño
fundido luego de la primera inmersión. Contrariamente, se observó la presencia de zonas no
mojables cuando se siguió el procedimiento (b). Estas zonas se observaron como líneas de color
negro-rojizo justo sobre las marcas dejadas por el objeto cortante, mientras que el resto del crisol
presentó el color dorado característico del estaño solidificado y oxidado (Figura 4.17).
A fin de examinar mejor estos resultados, se realizó el seccionamiento transversal de la
superficie dañada y se observó mediante MO (Figura 4.18). La micrografía revela la ausencia de
la capa de β-Sn (color blanco) sobre la zona dañada mecánicamente, siendo ésta apreciable sobre
el resto de la superficie del crisol. Además, en la zona dañada se observa que la capa superficial
de color gris claro se corresponde con el compuesto intermetálico FeSn2. Estos resultados
37
sustentan la observación previa de que la formación de zonas no mojables pudiera estar
relacionada con la formación de óxidos de hierro producto, en este caso, de la exposición de la
fase intermetálica que queda al descubierto por el efecto del daño mecánico ocasionado
intencionalmente por un objeto penetrante luego del pretratamiento, esto pudiera interpretarse por
la elevada temperatura del crisol al realizar el daño, luego de la inmersión inicial. Una mayor
temperatura acelera la formación de óxidos hierro de las fases internas del crisol. Sin embargo,
estas experiencias no explican cómo ocurre la falla durante el proceso industrial ya que bajo las
condiciones normales de operación los crisoles no experimentan daño mecánico en su superficie.
Figura 4.17. Rayones sobre los crisoles. Crisol 4_V1.
Figura 4.18. Sección transversal del rayón en la muestra 4_V1.
38
4.3
4.3.1
Resultados de la experimentación a escala de laboratorio.
Verificación del efecto del flux sobre las paredes de los crisoles
A fin de entender las causas que originan la formación de zonas no mojables sobre los
crisoles se llevaron a cabo una serie de experimentos a escala de laboratorio simulando las
condiciones de soldadura del proceso industrial. En particular, las experiencias anteriores
sugieren que la presencia de restos flux sobre las paredes del crisol pudiera tener un efecto sobre
el mecanismo de formación de zonas no mojables.
En una primera etapa del estudio, se verificó el efecto reductor de tres tipos de flux (flux
resina, flux ácido y flux mezclado) sobre los óxidos de estaño formados en la superficie de los
crisoles. Esta prueba se realizó sumergiendo crisoles recién salidos del baño de soldadura, en
recipientes que contenían los diferentes flux. La Figura 4.19 muestra la superficie de un crisol
luego de esta experiencia. En ella se observa que el crisol experimenta un cambio de color dorado
a plateado justo en aquella zona que fue sumergido en el flux. En algunos casos se observaron
manchas de color marrón adjuntas a las paredes del crisol que pueden atribuirse a residuos de
flux. Comparando la cantidad de residuos observados sobre la superficie de los crisoles, el flux
resina fue el que dejó mayor cantidad de residuos en las paredes, seguido por el flux mezclado y
por último el flux ácido (Figura 4.20, Figura 4.21 y Figura 4.22)
Figura 4.19. Reducción de óxidos de estaño por parte del flux.
39
Figura 4.20. Residuos del flux resina en el área superficial.
Figura 4.21. Residuos del flux ácido.
Figura 4.22. Residuos del flux mezclado.
La naturaleza de estos residuos no se determinó; sin embargo, estudios realizados por
Artaki et al., 1992 revelan que los flux resina se degradan a altas temperaturas los cuales inducen
cambios en su composición química. Los cambios más obvios son la volatilización del solvente
alcohólico y la volatilización de la resina; sin embargo, otros cambios ocurren debido a la
presencia de oxígeno. En efecto, este elemento promueve isomerizaciones y polimerizaciones
autooxidativas del ácido abiético y sus homólogos generando compuestos de mayor peso
molecular. Artaki et al., 1992, determinaron que mientras más fina es la película de flux aplicado
mayores serán los cambios en el peso molecular de los productos ocasionados por la
40
polimerización autooxidativa. Así, la cantidad de resina aplicada en las paredes de los crisoles
afecta el grosor de la película de flux y la consecuente formación de aglomerados de compuestos
más pesados que pudieran adjuntarse con mayor facilidad en el tope del crisol generando zonas
no mojables.
Por otra parte, los pequeños orificios observados en las zonas de aplicación de flux
sugieren que estos compuestos afectan la estabilidad química de la capa de β-Sn, lo que pudiera
promover la disolución localmente del estaño metálico. Este pudiera ser otro factor que
condiciona la formación de zonas no mojables ya que cuando esto ocurre, el compuesto
intermetálico se expone directamente al ambiente oxidante.
4.3.2
Efecto de los ciclos de inmersión.
En la segunda etapa del estudio se realizaron los experimentos en los cuales se aplicó el
flux luego de cada inmersión del crisol en el baño de metal fundido (sección 3.3) durante al
menos 100 ciclos de inmersión. En este caso se utilizaron dos tipos de flux (flux/ácido y
flux/mezclado) ya que estas substancias de pretratamiento resultaron ser las más agresivas. A su
vez, se utilizaron dos aplicadores: recipientes de aluminio y placas de acero
La Tabla 4.1 muestra el diseño experimental empleado donde los parámetros variados
durante la investigación fueron el número de inmersiones, el tipo de flux y el tipo de aplicador.
Tabla 4.1. Especificaciones de los experimentos a escala de laboratorio.
Crisol
Inmersiones
Flux aplicado
Tipo de aplicador
KO_1
180
Mezclado
Recipiente de aluminio
KO_2
150
Ácido
Recipiente de aluminio
KO_3
100
Ácido
Placa de acero
KO_4
200
Ácido
Placa de acero
KO_5
300
Ácido
Placa de acero
La Figura 4.23 muestra el estado del crisol KO_1 luego de 180 ciclos de inmersión. Se
observa que el mismo presenta un color dorado alrededor del área superficial con grandes
cantidades de residuos de flux de color marrón rojizo en el tope del crisol. En este caso, no se
detectó la presencia de áreas no mojables a pesar de encontrar cantidades importantes de residuos
de flux.
41
Figura 4.23. Imagen del área superficial de la muestra KO_1.
El crisol KO_2 presentó zonas no mojables luego de 150 ciclos de inmersión. Estas zonas
se ubicaron tanto en el tope del crisol y sus adyacencias (Figura 4.24). En la pared del crisol se
observó una zona de color gris que muestra los rastros dejados por el torno durante su proceso de
fabricación. Estas marcas son similares a las observadas en el tope de los crisoles dañados del
proceso industrial, ver Figura 4.11. La presencia de estas marcas y la zona degradada en el tope
del crisol indica que el flux ácido disuelve la capa de β-Sn dejando al descubierto la fase
intermetálica. Esta fase se oxida al ponerse en contacto con el oxígeno del ambiente durante la
salida del crisol del baño de estaño fundido, con la consecuente formación de una zona no
mojable. De las experiencias anteriores se obtuvo que el crisol KO_2 falló antes que la muestra
KO_1, lo que se atribuye al tipo de flux aplicado.
Figura 4.24. Crisol KO_2. Presencia de residuos de flux y formación gris.
42
Los crisoles KO_3, KO_4 y KO_5 fueron sometidos a ensayos de inmersión utilizando el
flux ácido y un aplicador de acero similar al utilizado en el proceso industrial. La diferencia entre
estas experiencias es el número de ciclos de inmersión. Sorpresivamente, en ningún caso se
observó la formación de zonas no mojables. La superficie de los crisoles permaneció dorada sin
rastros de flux ni degradación hasta luego de 300 ciclos de inmersión (Figura 4.25). Este
resultado contrasta con la experiencia anterior y con los obtenidos a escala industrial en los que
se utilizó igualmente una placa de acero como aplicador en reemplazo de la PCB.
Figura 4.25. Área superficial de la muestra KO_5.
Los resultados que se derivan de las experiencias tanto a escala industrial como de
laboratorio indican que diversos factores están involucrados en la aparición de la falla. Los
resultados a escala de laboratorio sugieren que el tipo de aplicador influye en la formación de
zonas no mojables ya que, al utilizar el aplicador de aluminio se observó sistemáticamente la falla
y al utilizar la placa de acero como aplicador esta no apareció. Como se explicó en el
procedimiento experimental (sección 3.3.3), el tipo de aplicador determina la temperatura en el
tope del crisol, por lo que la falla podría estar relacionada más bien con la temperatura y no con
el material o la forma del aplicador.
Las fluctuaciones de la temperatura en el tope del crisol fueron investigadas colocando un
termopar en la parte superior de los aplicadores para generar los perfiles de temperatura (Figura
4.26). A partir de ellos se puede obtener un estimado de la temperatura del flux durante el tiempo
de contacto entre el aplicador y los crisoles. Se observa una diferencia entre las temperaturas
máximas alcanzadas con cada aplicador. Al utilizar los recipientes de aluminio se obtuvo una
temperatura máxima de aproximadamente 250ºC la cual se alcanza rápidamente dada la elevada
conductividad térmica de este metal (2,2 W/cm ºC). Por otra parte, se observa que la temperatura
máxima alcanzada con el aplicador de acero fue aproximadamente 180 ºC lo que representa una
disminución de 70 ºC al cambiar de aplicador. Además, se observa que el aplicador de acero
43
alcanza esta temperatura más lentamente; ya que su conductividad térmica es aproximadamente 4
veces menor a la del aluminio (0,5 W/cm ºC).
300
Recipiente de Al
250
Temperatura (ºC)
Placa de acero
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
Tiempo (s)
25
30
35
Figura 4.26. Perfiles de temperatura de los aplicadores durante el contacto con las muestras.
La diferencia de temperaturas registradas en el tope de los crisoles es una consecuencia
directa de la capacidad de absorción de calor de cada aplicador. Si bien la capacidad calorífica del
aluminio (880 J/kg K) es casi dos veces más grande que la del acero (460 J/kg K), la masa de este
aplicador es aproximadamente 20 veces más pequeña que la de la placa de acero. Considerando
que,
·
· Δ , el recipiente de aluminio absorbe una menor cantidad de calor y en
consecuencia la temperatura del crisol es mayor con este aplicador. Asi, las fallas encontradas en
los crisoles a escala de laboratorio utilizando los aplicadores de aluminio están asociadas a la
elevada temperatura en el tope del crisol. Esta temperatura favorece la descomposición del flux,
generando productos de elevado peso molecular que parecen ser agresivos para la capa de β-Sn.
La desaparición de esta capa conlleva luego a la oxidación del compuesto intermetálico y a la
consecuente formación de zonas no mojables.
Extrapolando esta hipótesis al proceso industrial se supone que las fallas pueden ser
ocasionadas por altas temperaturas en el tope de los crisoles. En efecto, la temperatura de los
crisoles en el proceso industrial es mayor que la temperatura en los experimentos a escala de
laboratorio debido a que el equipo de soldadura es un sistema cerrado en el que la temperatura del
ambiente es directamente afectada por la temperatura del baño de metal fundido. Esta condición
acelera tanto la degradación del flux como la cinética de oxidación de la fase intermetálica.
44
4.4
Mecanismo propuesto de formación de las zonas no mojables
La formación de áreas no mojables en los crisoles utilizados en el proceso de soldadura
selectiva fue el objeto de estudio de esta investigación. Un posible mecanismo de formación es
presentado a continuación:
Condiciones y parámetros importantes:
•
Disolución del recubrimiento galvánico de los crisoles en el baño de soldadura.
•
Formación del compuesto intermetálico.
•
Activación del flux durante la etapa de precalentamiento.
•
Altas temperaturas de contacto y bajas tasas de enfriamiento en el tope de los crisoles.
•
Presencia de residuos de flux (adheridas en las paredes) y oxígeno es necesario en el
posible lugar donde se formará el área no mojable. La formación de las áreas no mojables se inicia con la disolución de los recubrimientos
galvánicos en el baño de soldadura y la formación de una fase intermetálica mojable. Durante el
proceso de activación y posterior aplicación del flux, el flux se debe descomponer y adherir a las
paredes de las muestras, especialmente en la parte superior donde ocurre el contacto directo entre
el aplicador y el crisol. La alta temperatura del contacto aumenta la tasa de descomposición del
flux, lo que genera aglomeraciones entre la soldadura fundida de la pared de los crisoles y los
residuos de flux. Durante el proceso de inmersión y elevación es posible que estas
aglomeraciones inhiban la interacción de la soldadura fundida fresca del baño con las paredes del
crisol o puede ocurrir una disolución local de la capa de β-Sn por parte de los residuos de flux, y
en el caso en que la FIM alcance la capa superficial y se ponga en contacto con oxígeno generará
la formación de una zona no mojable.
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Esta investigación fue realizada con el objetivo de proponer un posible mecanismo de falla
que explique la formación de zonas no mojables en los crisoles utilizados en el proceso de
soldadura selectiva industrial libre de plomo. Del estudio se obtuvieron las siguientes
conclusiones:
•
La falla se presenta siempre de la misma manera: anillo en el tope con desgaste superficial
y acumulación de flux en los alrededores.
•
Se observó que, la falla no es recurrente ni 100% reproducible a un mismo número de
inmersiones. No se observó una relación entre el posicionamiento de los crisoles en el
soporte para soldar y la formación de zonas no mojables en el proceso industrial de
soldadura.
•
La cantidad de residuos de flux adheridos a la pared del crisol depende del tipo de flux,
del tiempo de aplicación y de la temperatura de contacto. Una mayor temperatura generó
una mayor tasa de descomposición y adherencia del flux lo que promovió localmente la
disolución local del estaño metálico y la consecuente aparición de zonas no mojables. •
Se detectó la formación de una fase intermetálica entre el material base de los crisoles y el
baño de metal fundido. A partir del EDX se determinó que el compuesto intermetálico
está formado por hierro y estaño (FeSn2). •
Se detectó la ausencia de la fase de β-Sn en las zonas no mojables mediante el uso de
microscopía óptica y electrónica. La falta de la capa expone a la fase intermetálica a la
acción de la atmósfera oxidante generando un óxido no mojable del compuesto
intermetálico.
•
Se observó que el aumento de la temperatura global del proceso, debido al cambio en el
material de aporte, afectó la estabilidad de los flux utilizados.
Se recomienda estudiar nuevos flux con temperaturas de descomposición más elevadas
(más resistentes a las temperaturas del proceso) así como su interacción en el proceso.
46
Es recomendable profundizar el estudio a escala laboratorio utilizando nuevos aplicadores
con diferentes espesores que puedan generar diferentes temperaturas de contacto y así plantear un
correlación entre la temperatura de contacto y la descomposición del flux.
Se recomienda caracterizar las zonas no mojables con procedimientos analíticos más
precisos, a fin de determinar la naturaleza del compuesto no mojable y la fase intermetálica, para
confirmar la teoría de la formación de un óxido del compuesto intermetálico.
47
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