Thermal, wetting and microstructural properties of the tin (Sn)-58%bismuth (Bi) solder joint at 160 °C, 170°C and 180 °C

Resumen Técnico: Propiedades Térmicas, de Humectación y Microestructurales de Juntas de Soldadura de Sn-58%Bi a Bajas Temperaturas de Reflujo

Planteamiento del Problema
La industria del empaquetado electrónico enfrenta una necesidad crítica de transicionar de soldaduras que contienen plomo hacia alternativas ambientalmente conformes debido a las preocupaciones por la toxicidad y las restricciones regulatorias. Si bien las aleaciones de estaño-bismuto (SnBi), particularmente la composición eutéctica de Sn-58%Bi, ofrecen una alternativa prometedora de bajo punto de fusión (~138°C) con alta resistencia mecánica, su rendimiento bajo condiciones específicas de reflujo de baja temperatura requiere una validación adicional. Aunque las propiedades térmicas de la SnBi se comprenden generalmente, existe una brecha en la comprensión fundamental de cómo las temperaturas de reflujo acopladas (específicamente 160°C, 170°C y 180°C) influyen en la respuesta térmica, la humectabilidad, la evolución microestructural y la formación de compuestos intermetálicos (IMC) en la interfaz de la junta de soldadura SnBi/Cu. Este estudio aborda la necesidad de caracterizar estos parámetros para apoyar procesos de ensamblaje microelectrónico de bajo consumo energético y térmicamente sensibles.

Metodología
Los investigadores fabricaron una aleación de soldadura de Sn-58%Bi utilizando estaño y bismuto de alta pureza (99.99 % en peso), fundiendo y homogeneizando la mezcla a 600°C. Las características térmicas de la aleación se evaluaron mediante Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y Análisis Termogravimétrico (TGA). Para el análisis de humectación y microestructura, la aleación fue soldada por reflujo sobre sustratos de cobre (Cu) a tres temperaturas distintas: 160°C, 170°C y 180°C, con un tiempo de permanencia fijo de 60 segundos.

Las mediciones experimentales clave incluyeron:

• Análisis Térmico: DSC para determinar los picos de fusión y TGA para evaluar la pérdida de masa y la estabilidad térmica.
• Humectabilidad: Se midieron los ángulos de contacto y las relaciones de esparcimiento para evaluar el flujo de la soldadura y la interacción con el sustrato.
• Caracterización Microestructural: Se utilizó Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) junto con espectroscopía de Energía Dispersiva de Rayos X (EDX) para examinar la morfología interfacial, la formación de vacíos y la distribución elemental. La Difracción de Rayos X (XRD) se empleó para identificar las fases de IMC.

Resultos Clave

• Propiedades Térmicas: El análisis DSC confirmó un rango de fusión entre 139°C y 145°C, con un pico aproximadamente a 141°C, consistente con el comportamiento eutéctico de la SnBi. El TGA reveló una pérdida de masa total de aproximadamente 4.99% bajo una atmósfera oxigenada, atribuida principalmente a la evaporación de la humedad y la oxidación superficial, ocurriendo la degradación más significativa entre 170°C y 230°C. La aleación demostró una buena estabilidad térmica para las duraciones de reflujo típicas.
• Humectabilidad: El estudio observó una relación inversa entre la temperatura y el ángulo de contacto, aunque con rendimientos decrecientes a temperaturas más altas.
  • 160°C: Ángulo de contacto de 78.4° (el más alto).
  • 170°C: Ángulo de contacto de 68.95° (el más bajo, indicando una humectación óptima).
  • 180°C: Ángulo de contacto de 69.39° (un ligero aumento).
  • Relación de Esparcimiento: Contrario a la tendencia en los ángulos de contacto, la relación de esparcimiento disminuyó a medida que la temperatura aumentó (347.7 a 160°C, 333.7 a 170°C y 322.8 a 180°C). Los autores atribuyen esto al crecimiento acelerado de los IMC y a la formación de películas de óxido a temperaturas más altas, lo que restringe el flujo lateral a pesar de la mejora en la fluidez.
• Evolución Microestructural y Formación de IMC:
  • 160°C: Se observó una formación de IMC mínima o nula. La interfaz presentó vacíos, atribuidos a una energía térmica insuficiente para activar completamente el fundente e impulsar las reacciones de interfaz, lo que resultó en gases atrapados.
  • 170°C: Se formó una capa de IMC de Cu₆Sn₅ relativamente uniforme y continua con un espesor promedio de 0.909 µm. No se detectó la capa de Cu₃Sn.
  • 180°C: La capa de Cu₆Sn₅ se engrosó hasta 1.404 µm. Crucialmente, se detectó una fina capa de Cu₃Sn cerca del lado de la soldadura, lo que indica el inicio de la transformación de fase (Cu₆Sn₅ + Cu → Cu₃Sn) a esta temperatura más alta.
  • Segregación de Bismuto: No se observó una segregación significativa de Bismuto a ninguna de las temperaturas probadas, lo que sugiere que tales fenómenos requieren temperaturas más altas o un envejecimiento térmico prolongado.

Contribuciones Clave
Este estudio proporciona un análisis comparativo del rendimiento de la soldadura Sn-58%Bi a través de una ventana estrecha de reflujo de baja temperatura (160–180°C). Las principales contribuciones incluyen:

1. Identificación de una Temperatura de Reflujo Óptima: Los datos sugieren que 170°C es la temperatura de procesamiento óptima, ofreciendo el mejor equilibrio entre la humectabilidad (menor ángulo de contacto) y un crecimiento controlado de IMC (formación de Cu₆Sn₅ sin la fase frágil de Cu₃Sn).
2. Clarificación de la Dinámica de Humectación: La investigación destaca la discrepancia entre el ángulo de contacto y la relación de esparcimiento, demostrando que, si bien 170°C ofrece la mejor humectación termodinámica, las temperaturas más altas (180°C) pueden dificultar el esparcimiento físico debido a la formación de óxidos y el rápido consumo de los IMC.
3. Cinética de IMC a Bajas Temperaturas: El estudio establece que 160°C es insuficiente para una reacción de interfaz robusta (provocando vacíos), mientras que 180°C inicia la formación de la fase perjudicial de Cu₃Sn, mientras que 170°C mantiene una interfaz de Cu₆Sn₅ de fase única y estable.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores concluyen que la soldadura Sn-58%Bi es un candidato viable para el ensamblaje electrónico de baja temperatura, siempre que el proceso de reflujo se controle cuidadosamente. El estudio afirma que operar a 170°C permite retardar la formación de capas gruesas de IMC y evitar la fase frágil de Cu₃Sn sin comprometer la humectabilidad. Estos hallazgos respaldan la aplicación potencial de las soldaduras SnBi en el empaquetado microelectrónico de bajo consumo energético y térmicamente sensible, donde minimizar el estrés térmico y asegurar la confiabilidad de la unión son fundamentales. La investigación no pretende reclamar la superioridad sobre otras soldaduras libres de plomo, sino posicionar a la SnBi como una solución específica para aplicaciones que requieren ventanas de procesamiento de baja temperatura.