Estrategias de Mitigación de Bigotes de Estaño: ¿Limpieza O Revestimiento?

Después de la legislación de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS) de la Unión Europea que prohíbe el uso de plomo (Pb) en la fabricación de productos electrónicos, los fabricantes de productos electrónicos han hecho la transición hacia productos sin plomo. En particular, el material de soldadura ha sufrido un cambio completo del plomo a otros metales y sus aleaciones.

Entre todos los posibles sustitutos del plomo, el estaño se considera la elección predominante para las aleaciones de soldadura [1]. Sin embargo, el uso de estaño puro provoca un grave problema de confiabilidad en la electrónica en forma de filamentos de estaño. Un bigote de estaño puede cerrar la brecha entre los terminales de los componentes en las PCB miniaturizadas modernas. La naturaleza conductora de los filamentos de estaño crea un riesgo de fuga de corriente y, en el caso extremo, un cortocircuito. Ambas condiciones pueden causar una falla temporal o permanente en el ensamblaje electrónico.

Este artículo explora las causas de los bigotes de estaño en las PCB y sus efectos adversos en el rendimiento de la electrónica de alta confiabilidad. La necesidad de mitigar el crecimiento de bigotes de estaño y sus métodos se discuten a continuación. Finalmente, el artículo destaca algunos productos de Chemtronics que ayudan a los ingenieros a mitigar el crecimiento de filamentos de estaño en las PCB.

Bigotes de Estaño Y Sus Efectos En las PCB

Los bigotes de estaño son estructuras similares a cabellos altamente conductivas (hasta miles de micrones) que esencialmente crecen en superficies revestidas de estaño sin plomo (Figura 1). Los bigotes de estaño generalmente son lo suficientemente largos como para causar un cortocircuito en la PCBA llenos y pueden causar arcos sostenidos. Esto puede representar una seria amenaza para los sistemas de seguridad críticos en aplicaciones de alta confiabilidad como las militares y aeroespaciales.

La formación de filamentos de estaño es uno de los principales modos de falla asociados con los dispositivos electrónicos y ha sido un área de intensa investigación en los últimos años [1][2] [3] [4]. Es más probable que crezcan bigotes de estaño en las superficies de estaño en presencia de todos o cualquiera de los siguientes factores [2]:

1. Estrés mecánico
2. Alta temperatura
3. Alta humedad

Figura 1: bigotes de estaño [2]

La presencia de plomo en la soldadura minimiza su crecimiento, pero el plomo ha sido declarado sustancia peligrosa y su uso está prohibido en dispositivos electrónicos. El estaño es ahora la opción predominante para la soldadura debido a su bajo costo de fabricación. Los bigotes de estaño se originan más a menudo en uniones de soldadura que contienen componentes conductores estañados. Las uniones de soldadura están sujetas a diferentes tensiones y proporcionan condiciones favorables para el crecimiento de bigotes. Una cosa para recordar aquí es que los bigotes de estaño son muy diferentes de las dendritas. Los bigotes de estaño crecen hacia afuera (eje z) mientras que las dendritas crecen a lo largo de una superficie (plano x-y). Además, las dendritas crecen debido a la presencia de un campo electromagnético mientras que los bigotes no lo hacen [3].

¿Cómo Detener El Crecimiento de Los Bigotes de Estaño?

El crecimiento de los bigotes de estaño está relacionado principalmente con el proceso de fabricación.

Para detener el crecimiento de los bigotes de estaño, la primera opción es eliminar por completo el estaño puro de la fabricación de productos electrónicos. Sin embargo, su uso excesivo por parte de los vendedores hace que este movimiento sea casi imposible de implementar.

En segundo lugar, es menos probable que el uso de componentes sin cables doblados promueva el crecimiento de bigotes, por ejemplo, los paquetes TDFN, TQFN y QFN.

Otra posibilidad para detener su crecimiento es eliminar la generación y relajación de tensiones. La generación de estrés se puede detener bloqueando la difusión de cobre en estaño con el uso de una barrera de difusión de níquel porque el níquel es una barrera de filamentos. Sin embargo, no existe ningún método para eliminar la relajación del estrés [5].

Hasta la fecha, no existe ningún método aceptado para prevenir por completo el crecimiento de los bigotes de estaño. Sin embargo, existen estrategias de mitigación.

Estrategias de Mitigación de Bigotes de Estaño

Limpieza de Componentes y la PCBA

La contaminación iónica de las PCBA en forma de residuos de flux e iones de Cl-, SO-24 y Br- inicia el crecimiento de filamentos de estaño en las uniones de soldadura [6] [7]. En un estudio de caso, se llevó a cabo un análisis comparativo del crecimiento de filamentos de estaño utilizando PCBA y componentes limpios y contaminados [8].

La prueba de crecimiento de bigotes se realizó siguiendo el estándar JEDEC JESD22-A121A. Se tomó como muestra de prueba una tarjeta de circuito impreso de dos caras con componentes de diferentes tamaños de paquete, como se muestra en la Figura 4. Los componentes se soldaron con aleación SAC305 usando un ensamblaje sin limpieza. Se utilizó una solución de NaCl, Na2SO4 y (CH3CH2)2NH2Br para contaminar los componentes, mientras que los fundentes ROL0, ROL1 y ORH1 se utilizaron para contaminar las PCBA.

Para proporcionar las condiciones de prueba, se mantuvo una temperatura de 85^oC y una humedad relativa (HR) del 85% en una cámara. Mediante el uso de microscopía electrónica de barrido (SEM) para la inspección de filamentos de estaño, se encontró que después de 500 horas de exposición en la cámara, las PCBA ensambladas con componentes limpios no mostraron crecimiento de filamentos de estaño, mientras que los componentes contaminados sí lo hicieron.

La mayor longitud de bigotes se observó en las tablas más contaminadas. Esto se muestra en la Figura 2. Además, en presencia de residuos de flux, se observó un mayor crecimiento de los filamentos de estaño como se muestra en la Figura 3. Además, se observaron signos de oxidación y corrosión donde había filamentos, lo que indica que los óxidos de estaño podrían haber causado el crecimiento de bigotes de estaño. Está claro que las tarjetas contaminadas (componente/ensamblaje o ambos) son vulnerables al crecimiento de filamentos de estaño, mientras que la limpieza (antes y después del ensamblaje) mitiga significativamente el riesgo de estos filamentos indeseables incluso en condiciones de alta humedad.

Figura 2: Longitud de los bigotes frente a la limpieza del conjunto [8]

Figura 3: Tablero contaminado + componentes contaminados dan como resultado el mayor crecimiento de filamentos de estaño [8]

Figura 4: PCB de prueba utilizada en [8]

Revestimiento de Conformal

Otra estrategia efectiva para mitigar los efectos de los filamentos de estaño es usar revestimiento de conformal en la PCBA. Hay tres razones principales para hacerlo [4].

1. Evitan que la barba penetre a través de la superficie
2. Evitan el cortocircuito de los conductores
3. Actúan como medio aislante para residuos conductores

La eficacia de los revestimientos de conformal en la mitigación del crecimiento de bigotes de estaño se ha demostrado en numerosos trabajos de investigación y estudios de casos. Un estudio probó cupones compuestos de latón con sulfato de estaño brillante que se sometieron a varios tipos y espesores de revestimiento de comformal [1]. Los cupones se colocaron en una cámara de prueba mantenida a 50 ^oC y 50 % de HR durante 419 días. Algunas áreas se revistieron mientras que otras permanecieron sin recubrir para obtener resultados de prueba concluyentes. Después de 119 días en la cámara de prueba, los cupones revestidos mostraron un crecimiento de filamentos de estaño debajo del revestimiento excepto por el revestimiento de parileno y silicona, el último de los cuales mostró un crecimiento insignificante. Después de 336 días de prueba, los bigotes penetraron regiones más delgadas del revestimiento de silicona.

Sin embargo, las porciones revestidas resistieron el crecimiento de bigotes en comparación con los cupones sin recubrir. El revestimiento de silicona funcionó bien cuando se aplicó con suficiente espesor. Se concluyó que los revestimientos delgados (0.6-1.5 milésimas de pulgada) no funcionaron bien para mitigar el crecimiento de bigotes, mientras que los revestimientos más gruesos (3.9-6 milésimas de pulgada) resultaron efectivos.

En otro estudio, se analizaron dos tipos de cupones de prueba (material base aleación C110 y aleación 42) revestidos con estaño brillante para determinar el crecimiento de filamentos de estaño. Después de la limpieza, algunas partes de los cupones se revistieron mientras que el resto se dejó sin revestir. Se introdujo una curvatura de 45o en dos lugares (tensión y compresión) en algunos cupones de prueba. La cámara de prueba se mantuvo a 50°C y 50% de HR y se colocaron cupones en ella durante 9 años [9].

Las densidades de los filamentos de estaño que se encuentran en las regiones estresadas (tensión y compresión) y sin revestimiento se resumen en la Tabla 1. Es importante mencionar que los cupones revestidos que no se tensaron no tenían filamentos de estaño. En los cupones revestidos y doblados con metal base C110, se observó la aparición de filamentos de estaño para el revestimiento acrílico de hasta 2 milésimas de pulgada de espesor. El revestimiento de acrílico de 3 mils no mostró formación de carpa ni penetración (tanto en compresión como en tensión) en las muestras de metal base C110 y Alloy 42.

Este resultado es intuitivo ya que los bigotes son muy delgados y no pueden penetrar revestimientos de conformal más gruesos, de hecho, quedan atrapados dentro del revestimiento y se doblan fácilmente (pandeo de Euler), por lo que no pueden causar ningún daño. Otro aspecto técnico de los revestimientos delgados es que desarrollan mayores esfuerzos de compresión en comparación con los revestimientos gruesos y, por lo tanto, son más vulnerables a la protuberancia de los bigotes.

Tabla 1: Densidades de estaño en cupones doblados y sin revestir [9]

Línea Chemtronics de Limpiadores de PCBA

La limpieza de las PCBA es la primera línea de defensa contra los bigotes de estaño. Chemtronics sigue siendo el líder en tecnología innovadora de la industria desde 1958 y proporciona productos de limpieza con el mayor nivel de rendimiento para conjuntos electrónicos. Su desengrasante Tri-V Electro-Wash es el reemplazo definitivo para el bromuro de n-propilo y elimina eficazmente la suciedad, el polvo, flux y grasa tanto de los componentes electrónicos como de los conjuntos. No es inflamable, se evapora rápidamente y no deja residuos. Se puede usar en equipos energizados y es el limpiador más potente que ofrece Chemtronics para la limpieza de PCBA de nivel 3.

Línea de Chemtronics de Revestimiento de Conformal

Los revestimientos de conformal sirven como segunda línea de defensa contra los filamentos de estaño y evitan daños y fallas en los ensamblajes electrónicos de misión crítica y de alto rendimiento. Chemtronics fue el primero en tomar la iniciativa de desarrollar productos sin plomo para fabricantes de productos electrónicos. La línea de revestimientos de conformal de Chemtronics incluye revestimientos de conformal acrílicos y de silicona. Debido a la facilidad de aplicación y eliminación, los revestimientos de conformal acrílicos son los más populares entre los fabricantes de productos electrónicos. El Revestimiento de Conformal Konform® AR Acrylic de Chemtronics proporciona una barrera protectora dura y duradera contra la humedad y, cuando se aplica con el espesor adecuado, puede ayudar a mitigar las fibras de estaño. El producto cumple con RoHS y es adecuado para su uso en entornos con altas temperaturas y humedad.

El Revestimiento de Conformal Konform SR Silicone certificado por UL es adecuado para las PCB rígidas y flexibles y viene en tres viscosidades diferentes para adaptarse a las necesidades de la aplicación. Este producto que cumple con RoHS es adecuado para entornos de alta temperatura y humedad. Cuando se aplica con el grosor adecuado, puede interrumpir el crecimiento de los bigotes de estaño.

Referencias

Foto cortesía de Andre Pelham (pasante) NASA Goddard Space Flight Center