Ligas de Soldagem

2.3.1 Considerações Iniciais

Durante seu ciclo de vida, desde a montagem de componentes, as ligas de soldagem utilizadas passam por uma ampla gama de transformações de fase que mudam suas composições, propriedades, e as composições e propriedades dos materiais que entrarem em contato. À medida que a liga de soldagem solidifica no processo de união, as fases sólidas que se formam e suas morfologias dependem da taxa de resfriamento e da facilidade relativa de

nucleação de fases sólidas no estado líquido e em fases de pré-existentes. Ligas de soldagem podem apresentar formação de fase metaestável durante a solidificação, bem como engrossamento microestrutural e reações com o material do substrato (como por exemplo, placas de circuitos eletrônicos). Durante a utilização do produto, a solubilidade e distribuição de fases podem se alterar como resultado da fadiga termomecânica. Na montagem de placas de circuitos eletrônicos, pode-se observar o efeito da composição da liga de soldagem através de transformações de fases claramente identificáveis e simples de analisar, em particular para ligas eutéticas Sn-Pb (HANDWERKER et al., 2007). Ocorrendo segregação de pequenas partículas de estanho, à baixas temperaturas há a transformação da fase beta para a fase alfa, conduzindo a uma expansão do volume de 23% e uma desintegração da junta soldada (MOON et al., 2001).

2.3.2 Ligas para Soldagem Livres de Chumbo

A primeira liga de soldagem livre de chumbo, Sn-3,9%Ag-0,6%Cu, foi elaborada tendo como comparação, as ligas eutéticas Sn-Pb, de ampla aplicação na montagem de placas e de dispositivos de microeletrônica. Por mais de quinze anos, placas de circuitos eletrônicos foram desenvolvidas em torno do comportamento das ligas de soldagem Sn-Pb de composição eutética para a sua montagem (Handwerker et al., 2007).

Em 1997, a NCMS (National Center of Manufacturing Science) desenvolveu um conjunto de critérios para o projeto de ligas de soldagem livre de chumbo, de conformidade com as caraterísticas apresentadas na Tabela 2.1. Foram criadas restrições práticas quanto à temperatura máxima, termomecânica da fadiga e resistência, molhabilidade, oxidação da solda fundida e o perfil de refluxo. (NCMS, 1997; ARTAKI et al., 1999; HANDWERKER et

Tabela 2.1. Critério de aprovação utilizado pela NCMS no Projeto de Ligas de

Soldagem livres de Chumbo, adaptado (NCMS, 1997; ARTAKI et al., 1999; HANDWERKER et al., 1999).

Propriedades da Liga de

Soldagem Definição Níveis Aceitáveis

Zona pastosa Intervalo de solidificação em que a liga encontra-se na região entre a linha liquidus e a linha solidus, ou seja, a liga encontra- se parcialmente em estado líquido e parcialmente solidificada

< 30 ºC

Molhabilidade Um teste de equilíbrio de molhamento avalia a força resultante (Fmax), quando um

fio de cobre está imerso e umedecido por um banho de solda fundido. Uma grande força indica um bom molhamento, tal como um curto período de tempo (t0) para

atingir uma força de molhamento zero, e um curto período de tempo (t2/3) para

atingir um valor de dois terços da força máxima de molhamento.

Fmax > 300 μN

t0 < 0,6 s

t2/3 < 1 s

Área de Cobertura Avaliar a cobertura da solda em substrato de cobre após um teste de imersão.

> 85% coberta Drossagem Avaliar a quantidade de óxido formado no

contato com o ar sobre a superfície fundida, após um tempo fixo à temperatura de soldagem.

Escala qualitativa

Fadiga termomecânica Ciclos de falha de uma determinada porcentagem de teste padrão de falha com configuração específica para junta soldada e placa, comparada com o eutético Sn-Pb.

porcentagem, geralmente > 50%

Coeficiente de Expansão Térmica

Coeficiente de expansão térmica de ligas de soldagem: refere-se à alteração no comprimento provocada pela temperatura em ºC. Valor utilizado para comparar o coeficiente da liga soldada com a temperatura ambiente

< 2,9x10-5 /ºC

Fluência Tensão requerida em temperatura ambiente para causar ruptura em 10000 minutos

> 3,4 MPa Alongamento Porcentagem total do alongamento

específico do material sob tensão uniaxial em temperatura ambiente

> 10%

A WEEE (Waste Electronical and Electronic Equipment) e a RoHS (Restriction of

Hazardous Substances), estabeleceram também critérios de projeto de ligas de soldagem

conjunto de critérios anterior (Bradley, 1999; Bath et al,. 2000). Para tanto o National

Electronics Manufacturing Initiative (NEMI) Group propôs em 2000 uma liga NEMI padrão,

que foi projetada como alternativa e para ter o ponto de fusão mais perto possível daquele da liga eutética Sn-Pb, contendo não mais que três elementos, evitar o uso de patentes se possível, ter o potencial de confiabilidade igual ou superior ao das ligas eutéticas Sn-Pb. A partir desses critérios a liga NEMI escolhida foi a Sn-3,9%Ag-0,6%Cu ( 0,2) do sistema Sn- Ag-Cu, sistema de ligas considerado então mais promissor para o desenvolvimento de novas alternativas de ligas de soldagem livres de Pb.

Para Handwerker et al. (2004), ligas de soldagem livres de chumbo devem ter uma temperatura de trabalho suficientemente baixa durante operações de refluxo para evitar danos à placa e componentes, mas alta o suficiente para liquefazer e molhar os componentes da placa em um tempo de processamento razoável. A junta soldada deve solidificar sem formação de defeitos que afetem a integridade da junta, durante e imediatamente após a solidificação, e durante a utilização, em seguida, a junta soldada tem que ser capaz de suportar as tensões impostas pelo uso, incluindo fadiga termomecânica, choque térmico, vibração e impacto. Outro critério usual de classificação das ligas de soldagem livres de Pb refere-se à necessária temperatura máxima exigida em operação, sendo divididas em função da temperatura de fusão, conforme exemplo da Tabela 2.2.

Tabela 2.2. Alguns exemplos de ligas de soldagem livres de Pb classificadas em função

da temperatura de fusão Categoria Composição (% em massa) Temperatura de fusão (° C) Baixas Temperaturas (<180 °C) Temperaturas equivalentes à de ligas tradicionais Sn-Pb (183 a 200° C) Médias Temperaturas (200 a 230 °C) Altas Temperaturas (230 a 350 °C) Sn-58Bi Sn-52 In Sn-9Zn Sn-8Zn-3Bi Sn-3,5Ag Sn-0,7Cu Sn-5Sb Sn-80Au 138 118 198,5 189-199 221 227 232-240 280

As ligas alternativas para substituição de ligas para soldagem à base de Pb podem ser binárias, ternárias e algumas quaternárias com prata, zinco, índio, antimônio, bismuto e cobre. A Tabela 2.3 sintetiza algumas ligas alternativas de soldagem para altas temperaturas.

Tabela 2.3. Composição e aplicação de algumas ligas de soldagem Sistemas de

Ligas

Composição Nominal da ligas Selecionadas

Temperatura

Liquidus (ºC) Comentários das Aplicações

Bi-Ag (SPINELLI et al, 2014; ZENG et al, 2012; CHIDAMBA- RAM et al, 2011) Bi-1,5%Ag Bi-4%Ag Bi-10%Ag 265,5 ºC 297 ºC 380,6 ºC

Ponto de fusão e dureza compatíveis com a liga de soldagem tradicional à base de Pb, As ligas à base de bismuto apresentam mais fragilidade relativa e custo mais elevado. Au-Sn (ZENG et al, 2012; CHIDAMBA- RAM et al, 2011; JING et al, 2015; Liu et al, 2008)

Au-20%Sn 280 ºC Liga de alto custo, formação de intermetálicos Au-Sn (atua como fragilizador), boa resistência à fluência, não necessita do uso de fluxo. Au-Ge (ZENG et al, 2012; CHIDAMBA- RAM et al, 2011)

Au-12,54%Ge 360 ºC Baixo módulo de elasticidade, microestrutura estável, alta resistência mecânica, alto custo e difícil fabricação. Zn-Al (ZENG et al, 2012; CHIDAMBA- RAM et al, 2011; CHENG et al, 2012) Zn-6%Al Zn-4%Al-3%Mg Zn-4%Al-3%Mg-3,2%Ga

381 ºC Baixa resistência à corrosão, baixa molhabilidade, baixo custo, fácil fabricação, formação de intermetálico sob equilíbrio.

Zn-Sn (ZENG et al, 2012, SANTOS et al, 2016) Zn-20%Sn Zn-30%Sn Zn-40%Sn 383 ºC 374 ºC 365 ºC

Baixa resistência à corrosão, formação a fase líquida a 199 ºC, baixo custo, ductilidade superior quando comparada à Zn-Al.

Sn-Sb (EL-DALY et al, 2011A; ZENG et al, 2012) Sn-5%Sb Sn-5%Sb-0,7%Cu Sn-5%Sb-0,7%Ag 239 ºC 237 ºC 234 ºC

Boa resistência mecânica, microestrutura estável, apesar de o antimônio ser tóxico ele apresenta menor risco que o chumbo.