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As ligas de solda sem chumbo existem desde que as pessoas começaram a soldar, com fontes que datam de cerca de 5.000 anos. A maioria dessas ligas eram combinações como cobre-prata ou prata-ouro e usadas com a chamada solda dura. Essa é uma técnica usada ainda hoje para unir metais preciosos e semipreciosos. Um desenvolvimento muito mais recente é a soldagem de componentes eletrônicos entre si, usando 'soldagem suave', que envolve temperaturas muito mais baixas.

A soldagem suave inicial usava estanho puro (Sn), mas gradualmente procuravam-se ligas que corrigissem problemas como ciclagem térmica, resistência ao choque, migração de elétrons e o desenvolvimento de bigodes em ligas à base de estanho. Enquanto o chumbo (Pb) conseguiu preencher esse papel para a maioria das aplicações de solda, a eliminação gradual do chumbo dos produtos, bem como novos requisitos para componentes cada vez mais finos, exigiram o desenvolvimento de novas ligas de solda que podem preencher esse papel.

Neste artigo, veremos os tipos de solda sem chumbo comumente usados, tanto para uso amador quanto industrial, e os dopantes usados ​​para melhorar suas propriedades.

Há uma boa razão pela qual o estanho (Sn) é tão comumente usado em solda macia e ligas de solda: ele funde a baixas temperaturas (232°C) e oferece boas propriedades de umectação (capacidade de fluir na almofada), além de sua capacidade de dissolver bem com a maioria dos metais. Esta última propriedade é crucial na formação de um bom composto intermetálico (IMC). A qualidade deste limite IMC determina a durabilidade da junta. Tanto a granularidade quanto o número (e tamanho) de quaisquer espaços vazios no IMC afetarão essa durabilidade.

Os dois tipos mais comumente usados ​​de solda sem chumbo são SnAgCu (estanho-prata-cobre, também chamado de SAC) e SnCu (estanho-cobre). A liga SnAgCu com 3% de prata e 0,5% de cobre (SAC305) foi inicialmente endossada para uso na montagem SMT, juntamente com várias outras ligas SAC. Essas outras ligas são tipos com maior teor de prata, como SAC387 (3,8% Ag) e SAC405 (4% ​​Ag). Essas ligas de prata mais altas são verdadeiras ligas eutéticas - mudando completamente de um sólido para um líquido no ponto de fusão de 217°C. Em contraste, o SAC305 tem uma faixa entre 217–219°C.

Embora o SAC seja uma liga de solda aceitável, a adição de prata aumenta seu custo. Isso levou a indústria a usar ligas com baixo teor de prata (por exemplo, SAC0307) ou alternativas sem prata, como SnCuNi.

A chave para uma junta confiável está na qualidade do IMC que é forçado. Não pode ser muito espesso ou muito granular e, de preferência, não deve ter vazios de Kirkendall.

O IMC de cada junta está sujeito a vários tipos de envelhecimento e danos:

Destes, a ciclagem térmica e o choque térmico estão relacionados, pois ambos são causados ​​pelas temperaturas ambientais. Como uma junta é exposta a mudanças de temperatura, seus componentes individuais estarão sujeitos à expansão térmica, que provavelmente será diferente entre os diferentes materiais. A resistência à tração da junta determina em que ponto a deformação resultante causará a formação de uma trinca.

Normalmente, sob ciclagem térmica, o IMC estará sujeito à recristalização, o que causa uma rugosidade do IMC que permite a formação de trincas. Estudos têm demonstrado que a adição de nanopartículas de La2O3 melhora a confiabilidade térmica, principalmente por inibir o crescimento do IMC. As ligas com alto teor de prata também apresentam melhor confiabilidade térmica. A adição de 0,1% de alumínio (Al) às ligas com baixo teor de prata também teve esse efeito, assim como a adição de Ni, Mn e Bi às ligas de SnAgCu.

O impacto da queda e a vibração estão relacionados de forma semelhante, pois algum tipo de deformação mecânica é aplicada, o que pode afetar o PCB, a junta e o componente. Especialmente com chips BGA de grande número de pinos, um impacto de queda pode causar danos significativos, testando propriedades como a resistência ao cisalhamento das juntas. Os modos de falha por vibração mecânica são semelhantes aos da ciclagem térmica, causados ​​pelo desenvolvimento gradual de trincas.