A pesar de Einstein, o quizá gracias a él, los físicos siguen teniendo dificultades con el tiempo. Especialmente desde el espacio o desde uno de los aceleradores no baratos, siguen llegando datos que de alguna manera no se pueden armonizar fácilmente con la teoría entre la luz y el tiempo[2]. El tiempo percibido individualmente es también uno de los problemas que los psicólogos estudian con gran esfuerzo[3]. ¿Por qué iban a ser diferentes los soldadores?
Además del proceso y de los preparativos para el mismo, éstos también tienen que lidiar con la unión soldada acabada, que -en caso de sufrir algún tipo de tensión- se romperá definitivamente al cabo de cierto tiempo y, por tanto, fallará. El tiempo es un factor obvio en este caso, tanto en lo que respecta a la estructura de la unión soldada como a la carga. Esto siempre ha sido motivo de asombro y especulación. Casi exclusivamente se culpa a la zona de difusión agitada (americana: capa de compuesto intermetálico) y también se la difama como "quebradiza" - lo que explica claramente la rotura "a través" de esta capa metálica, ¿no es así?
Fig. 2: Estructura metalúrgica de una unión soldada sobre cobre
Sin embargo, uno de los problemas con los que tiene que lidiar la humanidad es la repetición descontrolada e irreflexiva de cualquier afirmación. Este también es el caso aquí, porque si se adopta un enfoque científico, se llega a la misma conclusión que Lee, C. C. et al.: No hay datos científicos suficientes que respalden la afirmación de que "las IMC son quebradizas". ¡Ay! Pero si no es así, ¿por qué se producen las fracturas?
Los soldadores y sus colegas preocupados por la fiabilidad podrían haberse dado cuenta desde el principio, gracias a las cuidadas micrografías, de que la grieta generalmente no atraviesa la zona de difusión, sino que discurre justo al lado de ella. Así, Lee, C. C. et al. también llegan a la conclusión probablemente más correcta: ... esta fractura interfacial está causada por una insuficiente resistencia de la unión a lo largo del límite. El término "límite" se refiere aquí a la transición entre la zona de difusión y la soldadura residual en la unión soldada.
Fig. 3: Crecimiento de las zonas de difusión a 70 °C al cabo de horas (escala logarítmica)
Fig. 4: Crecimiento de las zonas de difusión a 200 °C al cabo de unas horas (escala logarítmica)
Para entender esto, considere que la zona de difusión es una reacción del estaño con el metal base. Por tanto, el estaño debe migrar fuera de la unión soldada e inevitablemente deja una capa sin estaño en este límite, ya que es donde las distancias para el movimiento en estado sólido son más pequeñas. Esta reacción también tiene lugar cuando la unión soldada se ha enfriado, pero mucho más lentamente que en estado fundido, lo que plantea inmediatamente la cuestión de la temperatura.
Las juntas de soldadura no están permanentemente a temperatura ambiente, pero mientras el dispositivo esté energizado, los componentes, especialmente los procesadores, producen mucho calor. No es raro que en algunos casos se alcancen temperaturas de hasta 200 °C aproximadamente, lo que todavía no provoca la fusión de la aleación con las soldaduras sin plomo.
Por ello, quizá sea conveniente utilizar los dos gráficos para mostrar la dependencia de la temperatura del crecimiento de las zonas de difusión. Para ello, destacamos el hecho de que el grosor de las zonas de difusión tras 100 horas a una temperatura de 200 °C corresponde al que sólo se alcanza tras 40 años a 70 °C, lo cual es bastante sorprendente.
Fig. 5: Efectos del calentamiento de un procesador (2019 Tyler Ferris)
Si realmente fuera solo la adhesión a la zona de difusión, entonces sería sorprendente que la durabilidad de la unión soldada disminuyera a medida que aumenta el grosor de esta zona. Las juntas de soldadura viejas fallan más rápido que las recién hechas, lo que se ha demostrado mediante pruebas de cizallamiento, por ejemplo.
Tomados por sí solos -es decir, no como una unión soldada-, los cambios de comportamiento cristalino en el material de difusión que se producen en las soldaduras sin plomo son hasta 25 veces mayores que los cambios correspondientes que se producen en los ensamblajes convencionales Sn-Pb. Sin embargo, ni siquiera esto explica totalmente el fallo a largo plazo, ya que las pruebas correspondientes muestran diferencias significativas entre las soldaduras con y sin plomo, al menos en algunos parámetros críticos. Por ejemplo, los índices de deformación por fluencia del Sn-Pb parecen casi estabilizarse con tiempos de envejecimiento más largos, mientras que los de las aleaciones SAC siguen aumentando rápidamente incluso después de más de 60 días de envejecimiento a temperatura ambiente. ¿Influye esto en la formación de fracturas?
Todas estas investigaciones son útiles, pero hasta ahora no han podido identificar claramente el mecanismo real de la formación de fracturas, por lo que los investigadores pertinentes llegan casi unánimemente a la misma conclusión en al menos un punto: que todos los modelos matemáticos utilizados para las predicciones en el diseño de productos se consideran al menos "mejorables", si no inútiles o incluso peligrosos.
Bibliografía y notas:
Lasky, R.C.: Copper-Tin Intermetallics: Their Importance, Growth Rate, and Nature, Actas de SMTA International, Rosemont, IL, EE. UU., 14-18 de octubre de 2018.
Lee, C.C. et al: Are Intermetallics Really Brittle?, Actas de la 57ª Conferencia de Tecnología y Componentes Electrónicos, 2007.
Ma, H. et al: Reliability of the aging lead free solder joint, Actas de la Conferencia sobre Tecnología y Componentes Electrónicos, enero de 2006.
Vianco, P.T.: Understanding the Reliability of Solder Joints Used in Advanced Structural and Electronics Applications: Part 1 - Filler Metal Properties and the Soldering Process, SAND2017-1069J
Vianco, P.T.: Comprensión de la fiabilidad de las uniones soldadas utilizadas en aplicaciones estructurales y electrónicas avanzadas: Parte 2 - Rendimiento de la fiabilidad, SAND2017-1070J
Referencias:
[1] Wilhelm Busch: Julchen (1877)
[2] J. Hakkila; R. Nemiroff: Time-reversed Gamma-Ray Burst Light-curve Characteristics as Transitions between Subluminal and Superluminal Motion, The Astrophysical Journal, Volumen 883, Número 1
[3] M. Wittmann: La experiencia interna del tiempo, Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 9 jul 12
