Darin Heisterkamp, Jefe de ventas
SAFI-Tech, Inc.
Introducción
La tecnología de la soldadura tiene miles de años, pero sigue siendo un componente esencial en el ensamblaje de la electrónica, sin el cual ninguno de nuestros avanzados dispositivos electrónicos funcionaría. Aunque el proceso de soldadura se ha perfeccionado en los tiempos modernos, sigue realizándose calentando la aleación de metal de soldadura hasta su estado fundido y aplicando el metal caliente en los puntos de contacto para crear una unión de soldadura conductora. En el caso de la aleación metálica de estaño-plata-cobre (SAC305) más popular en la actualidad, esa temperatura de procesamiento se sitúa en el rango de 240 °C a 260 °C, y ahí radica un gran problema.
Los ingenieros de diseño que desarrollan las próximas generaciones de productos electrónicos se ven impulsados por la demanda de los consumidores de nuevas soluciones que no se ajusten a los formatos existentes, sean mucho más pequeñas y tengan más funciones. Para satisfacer esta demanda se necesitan nuevos materiales más finos, ligeros y flexibles, y diseños más densos con mayor miniaturización e integración. Lamentablemente, estos nuevos productos son totalmente incompatibles con la soldadura a alta temperatura, pero siguen necesitando las ventajas de las uniones soldadas totalmente metálicas para funcionar.
Nueva tecnología Supercooled Soldering™.
Figura 1: Microcápsula de metal líquido sobreenfriado.
Figura 2: Gráfico de calorimetría que muestra el rango de líquido superenfriado.
SAFI-Tech ha desarrollado una nueva tecnología Supercooled Soldering™ que utiliza SAC305 y que puede resolver este problema. El superenfriamiento es un fenómeno que todos los materiales experimentan en la transición de fase de líquido a sólido. El proceso de microencapsulación de SAFI-Tech crea un nuevo factor de forma que estabiliza la fase líquida superenfriada del SAC305 dentro de una nanopelícula, y amplía la utilidad de esta fase líquida a temperaturas muy inferiores al punto de solidificación normal de la aleación (véase la figura 1). Ahora, el SAC305 puede aplicarse a lo largo de esta gama líquida ampliada para formar juntas de soldadura totalmente conductoras de metal a las temperaturas más adecuadas para cada diseño de producto (véase la figura 2).
Esta novedosa tecnología de interconexión de soldaduras evita daños térmicos en los componentes y materiales, además de mitigar los problemas de calidad causados por el desajuste del coeficiente de expansión térmica. Las microcápsulas de metal líquido superenfriado de SAFI-Tech aparecen como un polvo fino, que puede incorporarse a una formulación típica de pasta de soldadura. Dado que el núcleo metálico del interior de las microcápsulas es un líquido, puede fluir, humedecerse, coalescer y solidificarse para formar una unión de soldadura después de actuar sobre la carcasa. Al igual que ocurre con las pastas de soldadura existentes, esa acción puede ser impartida por fundentes de soldadura que disuelven la carcasa y liberan el metal líquido a una temperatura determinada para unir puntos de contacto opuestos (véase la figura 3).
Figura 3: El flujo de soldadura disuelve la cubierta de la microcápsula para formar la junta de soldadura.
Demostración del producto
SAFI-Tech demuestra esta tecnología de soldadura superenfriada mediante el uso de SAC305 fijando un paquete de circuitos integrados BGA a una placa de circuito impreso a bajas temperaturas. A medida que las dimensiones de los paquetes BGA aumentan con una mayor integración, los componentes de los circuitos integrados se vuelven más susceptibles al alabeo dinámico inducido por la temperatura del proceso de soldadura a alta temperatura, lo que provoca defectos de fijación. Para esta demostración, SAFI-Tech ha desarrollado una formulación de pasta prototipo y un fundente con una temperatura de activación de 180 °C, más de 60 °C por debajo de las temperaturas de reflujo normales de SAC305. Este es también el mismo rango en el que se produce la soldadura a baja temperatura con aleaciones de BiSn. La demostración se realizó de la siguiente manera:
Tablero de pruebas
- PCB FR4
- Acabado superficial ImmAg
- Pruebas eléctricas Contactos
Condiciones de impresión
- Plantilla de acero con escobilla de goma de acero
- Apertura de 480 µm de diámetro
- Espesor de 4 milímetros
Las figuras 4 y 5 muestran las propiedades de impresión de la pasta y la pasta estarcida en el patrón de rejilla BGA en la placa de circuito.
Figura 4: Reometría del prototipo de pasta de soldadura superenfriada.
Figura 5: Pasta impresa en un patrón de rejilla BGA
Las imágenes transversales del componente BGA después de la soldadura superenfriada muestran una buena formación de la unión entre la bola de soldadura BGA SAC305 y la soldadura SAC305 superenfriada de SAFI-Tech (véase la figura 6). El conjunto de la placa BGA se envió a STI Electronics para un análisis preliminar, en el que todas las uniones BGA siguieron siendo conductoras sin fallos tras 1000 ciclos de choque térmico (-40 °C a 110 °C).
Figura 6: BGA con bola SAC305 unida a una placa FR4 soldada a 180 °C utilizando pasta de soldadura SAC305 superenfriada de SAFI-Tech (reflujo normal de SAC305 a 240 a 260 °C).
Resulta especialmente interesante la clara presencia de la deseable capa de compuesto intermetálico (IMC) Cu6Sn5 formada con SAC305 a esta temperatura (véase la figura 7). Los compuestos intermetálicos desempeñan un papel importante en la resistencia mecánica y la fiabilidad de la unión soldada. Por lo general, se prefiere una capa de IMC inferior a 4 µm, y la capa de IMC de la soldadura superenfriada se midió en 2,5 µm (véase la figura 8). Esto es muy similar a una capa IMC típica formada con SAC305 a las temperaturas máximas de reflujo convencionales.
Figura 7: Sección transversal de la interfaz de la junta de soldadura SAC305 superenfriada de SAFI-Tech que muestra la capa de compuesto intermetálico (IMC).
Figura 8: Mapa de líneas EDS de la capa de compuesto intermetálico (IMC) de 2,5 µm.
Desarrollo posterior
SAFI-Tech continúa su trabajo de desarrollo de la SAC305 sobreenfriada, con el objetivo de lograr un estado líquido sobreenfriado para esta aleación cerca de 0 °C (véase la figura 9). Además, la tecnología de microencapsulación patentada y pendiente de patente de SAFI-Tech es agnóstica a la aleación. Otros desarrollos podrían incluir otras aleaciones importantes para la industria que resultan aún más ventajosas si se aplican mediante la tecnología de soldadura superenfriada.
Figure 9: SAFI-Tech development of supercooled SAC305 microcapsules.
Acerca de SAFI-Tech
SAFI-Tech, Inc. fue fundada en 2016 por el profesor Martin Thuo y el Dr. Ian Tevis, coinventores de la tecnología de microencapsulación superenfriada de la plataforma. SAFI-Tech aporta un nuevo paradigma de metal completo sin calor a las tecnologías de interconexión y metalización conductoras para la próxima evolución de la electrónica. "SAFI" significa limpio o puro, y guía a la empresa en sus esfuerzos por llevar al mercado nuevas tecnologías que tengan un impacto económico y social positivo.
(Este material se basa en un trabajo apoyado por el programa SBIR del Departamento de Energía de los Estados Unidos, Oficina de Ciencia, bajo el número de concesión DE-SC0020704). [This is automatically translated from English]
