Soldadura libre de plomo.

Una soldadura libre de plomo que consiste en 0,05-5% en masa de Ag,

0,01-0,5% en masa de Cu, al menos unode entre P, Ge, Ga, Al y Si en una cantidad total de 0,001-0,02% en masa, 0,01-0,05% en masa en una cantidadtotal de uno o más elementos de transición seleccionados de entre un grupo que consiste en Ni, Co, Ti, W, Mn, La yAu, 0-5% en masa de al menos uno de entre Bi, In y Zn, 0-1% en masa de Sb y un resto de Sn.

Soldadura libre de plomo

Campo técnico

La presente invención se refiere a una soldadura libre de plomo adecuada para soldar componentes electrónicos. En particular, se refiere a una soldadura libre de plomo adecuada para formar uniones de soldadura diminutas tales como aquellas formadas mediante perlas de soldadura. La presente invención se refiere también a una bola de soldadura y a una perla de soldadura fabricado de soldadura libre de plomo.

Técnica antecedente Hay una demanda constante para la disminución del tamaño e incremento de la velocidad de operación de los equipos electrónicos. Para hacer frente a esta demanda, es necesario disminuir el tamaño de los componentes electrónicos usados en los equipos electrónicos y para fabricar los componentes multi-funcionales. Un ejemplo representativo de los componentes electrónicos a los que se dirigen los esfuerzos para producir una disminución en el tamaño y multi-funcionalidad son los encapsulados BGA (matriz de rejilla de bolas) .

Un encapsulado BGA incluye típicamente un sustrato que tiene un chip de circuito integrado (IC) semiconductor montado sobre su superficie superior en una matriz similar a una rejilla de electrodos formados sobre su superficie inferior. Se fija una masa de soldadura redondeada, denominada como perla de soldadura, a cada uno de los electrodos. El encapsulado BGA se puede conectar a una tarjeta de circuito impreso, por ejemplo, colocando el encapsulado BGA en la parte superior de una tarjeta de circuito impreso haciendo contacto cada una de las perlas de soldadura del encapsulado con un terminal eléctricamente conductor correspondiente de la tarjeta de circuito impreso, y calentando a continuación el encapsulado BGA y la tarjeta de circuito impreso de modo que se fundan las perlas de soldadura y se suelden a los terminales. Cada una de las perlas de soldadura forma una unión de soldadura diminuta que conecta mecánicamente y eléctricamente el encapsulado BGA a la tarjeta de circuito impreso. El uso de perlas de soldadura es ventajoso porque permite la formación simultáneamente de un gran número de uniones de soldadura uniformes para todos los electrodos de un encapsulado BGA.

Los encapsulados BGA pueden tener un amplio intervalo de tamaños y estructuras. Cuando un encapsulado BGA tiene aproximadamente las mismas dimensiones planas que el chip de circuito integrado montado sobre su sustrato, se clasifica como un CSP (encapsulado a escala de chip) . Cuando un encapsulado BGA incluye una pluralidad de chips de IC, se clasifica como un MCM (módulo multi-chip) .

Las perlas de soldadura de un encapsulado BGA se pueden formar mediante un cierto número de procedimientos. Un procedimiento emplea bolas de soldadura. En este procedimiento, los electrodos del sustrato de la BGA (que pueden estar en la forma de un sustrato discreto o una oblea para ser cortada en un número de sustratos) , se recubre con un fundente adhesivo, y se colocan bolas de soldadura previamente formadas en la parte superior de los electrodos recubiertos y se mantienen sobre ellas mediante el fundente. El sustrato BGA se calienta entonces en un aparato de calentamiento tal como un horno de reflujo hasta una temperatura suficiente para fundir las bolas de soldadura y darles forma de perlas de soldadura sobre los electrodos.

Otro procedimiento de formación de perlas de soldadura emplea una pasta de soldadura, que comprende polvo de soldadura mezclado con fundente pastoso. En este procedimiento, las perlas de soldadura se forman en general sobre una oblea que tenga terminales en posiciones sobre las que se han de formar las perlas. Se coloca una máscara metálica que tiene orificios de aproximadamente el mismo tamaño que los terminales de una oblea, sobre la parte superior de la oblea con los orificios en alineación con los terminales. La pasta de soldadura se imprime entonces sobre los terminales forzando a la pasta de soldadura a través de los orificios en la máscara usando un escurridor. La oblea impresa con la pasta de soldadura se calienta entonces en un horno de reflujo de modo que se funda el polvo de soldadura y los de forma como perlas de soldadura sobre los terminales de la oblea.

En el pasado, se usaron comúnmente, bolas de soldadura fabricadas con una aleación de Sn-Pb, para formar perlas de soldadura para encapsulados BGA. Una bola de soldadura de Sn-Pb no sólo tiene una excelente soldabilidad con respecto a los electrodos de un sustrato BGA, sino que una aleación de Sn-Pb, y particularmente una composición eutéctica tiene un punto de fusión suficientemente bajo como para que no se transmita efectos térmicos perjudiciales al encapsulado BGA o a una tarjeta de circuito impreso durante la soldadura. Al mismo tiempo, su punto de fusión es suficientemente alto como para que no funda a las temperaturas producidas en el interior del equipo electrónico por el calor generado por bobinas, transistores de potencia, resistencias y otros componentes durante la operación del equipo electrónico.

Cuando un equipo electrónico que contiene un encapsulado BGA formado usando bolas de soldadura de Sn-Pb se hace viejo y ya no se puede usar como se desea o funciona incorrectamente, el equipo normalmente no se actualiza en su rendimiento o se repara sino que casi siempre se desecha. Cuando se desecha dicho equipo, algunos componentes del equipo pueden ser reutilizados o reciclados. Por ejemplo, se recuperan frecuentemente los plásticos en las carcasas, metales en los bastidores y metales preciosos en los componentes electrónicos. Sin embargo, una tarjeta de circuito impreso con componentes soldados en ella típicamente no puede reutilizarse. Esto es debido a que los terminales de una tarjeta de circuito impreso están unidos mecánicamente a la soldadura y es difícil separar completamente la soldadura y los terminales entre sí. Por lo tanto, las tarjetas de circuito impreso desechadas normalmente se pulverizan y a continuación se desechan mediante su enterramiento en vertederos.

Si una tarjeta de circuito impreso que se desecha mediante enterramiento emplea una soldadura que contenga plomo, tal como una soldadura de Sn-Pb, y si la tarjeta de circuito impreso se pone en contacto con lluvia ácida que tenga un elevado pH, el plomo en la soldadura de Sn-Pb se puede disolver y mezclar con el agua de lluvia hacia las aguas subterráneas. Si seres humanos o ganado beben agua subterránea que contenga plomo durante un periodo largo, el plomo se puede acumular en el cuerpo y puede producir envenenamiento por plomo. Para evitar los problemas medioambientales y de salud asociados con el uso de soldaduras que contengan plomo, hay un movimiento en la industria electrónica hacia el uso de las denominadas soldaduras libres de plomo que no contienen plomo.

La mayor parte de las soldaduras libres de plomo son aleaciones de Sn que contienen uno o más de entre Ag, Cu, Sb, In, Bi, Zn, Ni, Cr, Co, Fe, P, Ge y Ga. Entre las soldaduras libres de plomo que se usan comúnmente, las usadas para temperaturas bajas a moderadas incluyen aleaciones a base de Sn-Bi, aleaciones a base de Sn-In y aleaciones a base de Sn-Zn. Sin embargo, estas aleaciones presentan un cierto número de problemas para su uso como soldadura. Por ejemplo las aleaciones a base de Sn-Bi fácilmente experimentan fracturas por fragilidad, las aleaciones a base de Sn-In son caras y las aleaciones a base de Sn-Zn experimentan fácilmente cambios con el tiempo. Adicionalmente, cuando se emplean soldaduras de baja temperatura en los equipos electrónicos, se pueden fundir cuando la temperatura dentro de una carcasa del equipo se eleva debido a la generación de calor por parte de los componentes generadores de calor del equipo. Incluso si las soldaduras no se funden, su resistencia de unión puede disminuir enormemente. Por lo tanto, las soldaduras libres de plomo de baja temperatura están limitadas a aplicaciones especiales.

Las soldaduras libres de plomo para uso a temperatura media (soldaduras que tienen un punto de fusión de alguna forma más alta que la eutéctica de Sn-Pb) , incluyen aleaciones a base de Sn-Ag, aleaciones a base de Sn-Cu y aleaciones a base de Sn-Ag-Cu. Las aleaciones a base de Sn-Ag y las aleaciones a base de Sn-Cu tienen problemas con respecto a su humectabilidad y la resistencia a los ciclos térmicos. Las aleaciones a base de Sn-Ag-Cu no tienen los problemas sufridos por las aleaciones a base de Sn-Ag y las aleaciones a base de Sn-Cu y, normalmente, son las más ampliamente usadas como soldaduras libres de plomo.

Cuando se usa una aleación a base de Sn-Ag-Cu como soldadura libre de plomo para soldar un componente que tenga un área de unión comparativamente grande, como es el caso con los componentes típicos montados superficialmente o los componentes discretos, es superior... [Seguir leyendo]

1. Una soldadura libre de plomo que consiste en 0, 05-5% en masa de Ag, 0, 01-0, 5% en masa de Cu, al menos uno de entre P, Ge, Ga, Al y Si en una cantidad total de 0, 001-0, 02% en masa, 0, 01-0, 05% en masa en una cantidad total de uno o más elementos de transición seleccionados de entre un grupo que consiste en Ni, Co, Ti, W, Mn, La y

Au, 0-5% en masa de al menos uno de entre Bi, In y Zn, 0-1% en masa de Sb y un resto de Sn.

2. Una soldadura libre de plomo de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la cantidad de Cu es como mucho del 0, 3% en masa.

3. Una soldadura libre de plomo de acuerdo con la reivindicación 2, en la que la cantidad de Cu es como mucho del 0, 1% en masa.

4. Una soldadura libre de plomo de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye como mucho el 5% en masa de al menos uno de entre Bi, In y Zn.

5. Una soldadura libre de plomo de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye como mucho el 1% en masa de Sb.

6. Una perla de soldadura que comprende una soldadura libre de plomo de acuerdo con la reivindicación 1.

7. Un encapsulado BGA que incluye un sustrato, un chip de semiconductor dispuesto sobre un primer lado del

sustrato, y una pluralidad de perlas de soldadura que comprenden una soldadura libre de plomo de acuerdo con la reivindicación 1, formado como una matriz predeterminada sobre un segundo lado del sustrato.

8. Una bola de soldadura libre de plomo que comprende una soldadura libre de plomo de acuerdo con la reivindicación 1.

9. Un procedimiento de formación de perlas de soldadura que comprende la colocación de bolas de soldadura que

comprenden una soldadura libre de plomo de acuerdo con la reivindicación 1 sobre un sustrato y el calentamiento de las bolas de soldadura para fundir las bolas de soldadura y darles forma como perlas de soldadura asegurados al sustrato.