Mientras que "completamente sin" en la sauna o en una playa nudista es una cuestión textil, el ingeniero de procesos habla de residuos en la placa de circuito. La cuestión de si es posible soldar completamente sin residuos es cada vez más acuciante, ya que la reducción de la distancia entre las rejillas y la miniaturización de los componentes ya ha creado un problema que ahora se ve agravado por la tecnología 5G.
Si nos fijamos más detenidamente en el proceso de soldadura, desde hace tiempo es posible soldar sin fundente, lo que no necesariamente da como resultado un ensamblaje sin residuos. Si la superficie metálica que se va a soldar está limpia y libre de óxido, si la soldadura utilizada también está limpia y libre de óxido -con la soldadura por ola se puede ver la escoria, con la soldadura por reflujo los óxidos de estaño se ocultan en el polvo- y si el proceso de soldadura tiene lugar en ausencia de oxígeno para poder descartar la post-oxidación, se creará una unión soldada a la temperatura requerida. Otras impurezas metálicas, como el Ag2S(sulfuro de plata) en las soldaduras sin plomo, son potencialmente una molestia adicional.
Conseguir estas condiciones en la placa de circuito impreso y la soldadura requiere mucho tiempo y es caro, por lo que este proceso sólo suele llevarse a cabo en condiciones de laboratorio. También hay que investigar si los residuos de la desgasificación de la placa de circuito impreso o de los componentes, que pueden haberse arrastrado de procesos anteriores, siguen depositados en el conjunto, pero no es improbable. Otra cuestión que se plantea es si estos residuos interfieren.
Algunos de los procedimientos, como la soldadura con activación ultrasónica, eliminan por la fuerza las capas de óxido que interfieren y fuerzan así el contacto directo entre el metal y la soldadura, pero los óxidos metálicos sólo se apartan y no se eliminan.
El gran número de patentes relacionadas con procesos sin fundente pone de manifiesto el creciente interés por eliminar al menos el fundente. En realidad, los fundentes no son más que ácidos que reaccionan con los óxidos metálicos del cobre y el estaño, por ejemplo, para formar sales metálicas que (normalmente) dejan al descubierto el metal.
Óxido metálico + ácido → sal + agua
En el caso del cobre y los ácidos agresivos, el óxido de cobre(II) se disuelve en ácidos minerales como el ácido clorhídrico, el ácido sulfúrico o el ácido nítrico y forma las correspondientes sales de cobre(II) y agua, que se evapora a estas temperaturas:
CuO + 2 HCl→ CuCl2 + H2O
CuO + H2SO4→CuSO4 + H2O
CuO + 2 HNO3→Cu(NO3)2 + H2O
Análogamente, el SnO2 se disuelve en -supongamos- ácido sulfúrico para dar un sulfato:
SnO2 + 2 H2SO4→Sn(SO4)2 + 2 H2O
El óxido de estaño (II) es un compuesto de fórmula SnO. Puede disolverse en soluciones fuertemente ácidas para formar los complejos iónicos Sn(OH2)32+ y Sn(OH)(OH2)2+ y en soluciones menos ácidas para formar Sn3(OH)42+. La mayoría de las sales son solubles en agua y, por tanto, no son exactamente lo que el ingeniero de procesos quiere en el conjunto en combinación con la humedad del aire.
El químico está considerando ahora el hidrógeno como alternativa al fundente. La idea es privar al óxido de su oxígeno y devolverlo así al metal base. El hidrógeno puede hacerlo porque le "gusta" reaccionar con el oxígeno. Sin embargo, la química es un obstáculo, ya que se necesitan altas temperaturas para que la reacción se produzca en un plazo razonable para la fabricación de componentes. Esto, a su vez, es perjudicial para la placa de circuito y los componentes. Esto se debe a que el hidrógeno está normalmente presente en forma de moléculas de H2, que no reaccionan tan fácilmente.
Esto plantea inmediatamente la idea de que el H1 reacciona más rápidamente y que, por tanto, se debería trabajar con H1 en lugar de H2. El H1 puede producirse en una cámara de vacío mediante excitación. El gas está entonces disponible como plasma. Esto funciona realmente y la reacción es mucho más rápida. Se pueden generar plasmas de gas a frecuencias de audio, radio o microondas para formar radicales reactivos que desoxiden la superficie. Normalmente, se utiliza una mezcla que contiene un 5% o más de gas reductor (por ejemplo, H2) en un portador inerte (por ejemplo, N2), conocido como gas formador. El problema aquí no es de química o física, sino de ingeniería y finanzas. Establecer un plasma uniforme en una cámara, especialmente cuando estos conjuntos obstructivos (necesariamente varios o incluso muchos) están dispuestos en su interior, no es fácil. Quizá sea este escollo el que todavía no ha ayudado a que el proceso alcance el avance que se esperaba.
Fig. 1: Formación de gas en botellaLos plasmastambién pueden dañar las cámaras de proceso mediante un proceso de pulverización catódica y hacer que las superficies dieléctricas se carguen, lo que puede provocar posibles daños en los microcircuitos. Las propias microondas también pueden dañar los microcircuitos y la temperatura del sustrato es difícil de controlar durante la exposición al proceso. Dado que los plasmas también liberan luz ultravioleta potencialmente peligrosa, se justifica una mayor consideración. Además, estos procesos requieren equipos eléctricos caros y consumen mucha energía, lo que reduce su rentabilidad global.
Los expertos en este campo se dieron cuenta enseguida de que se pueden introducir pequeños aditivos en los gases del plasma. Entre ellos se encuentran el CF4Cl2, el CF4 y el SF6. Sin embargo, estos gases dejan residuos de haluros que reducen la resistencia de la soldadura y favorecen la corrosión. Estos compuestos también plantean problemas de seguridad y de eliminación medioambiental y pueden atacar químicamente los equipos de soldadura.
Si nada de esto aporta una solución, recurrimos a nuestro querido láser, ya que los óxidos metálicos pueden eliminarse con láser o calentarse hasta su temperatura de vaporización. También en este caso, lo mejor es utilizar atmósferas inertes o reductoras para evitar una nueva oxidación causada por las impurezas liberadas. Sin embargo, los puntos de fusión o ebullición de los óxidos y los metales base pueden ser similares y se requiere una gran sensibilidad para no fundir o vaporizar el metal base al mismo tiempo. Por tanto, estos procesos láser son difíciles de aplicar. Además de otras objeciones, los láseres tienen la desventaja de que requieren un acceso visual directo a la unión soldada, es decir, a la capa de óxido, que, a traición, cada vez está más oculta bajo los componentes (BGA, conectores).
Como estos procesos se centran principalmente en los óxidos metálicos e ignoran otros contaminantes, puede resultar más barato -y más fácil- concentrarse en el lavado y utilizar fundentes que suelden bien y cuyos residuos puedan eliminarse fácil y completamente.
Bibliografía
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