Ciencia y Tecnología
2 de diciembre de 2015

Soldadura de componentes electrónicos con aleaciones amigables con el medio ambiente

Dra. Carina MORANDO y Dr. Osvaldo FORNARO

A pesar de que los efectos nocivos del plomo y otros elementos pesados son conocidos desde tiempos muy remotos, estos materiales continúan aún presentes en las diversas etapas de los procesos productivos. Por ejemplo, existen documentos que datan de aproximadamente 2000 años AC que citan los efectos tóxicos del plomo. Por este motivo, y más recientemente, existen diferentes propuestas tendientes a reducir la utilización de metales pesados como el plomo, cadmio y cromo, manifestado por ejemplo en el desarrollo de combustibles, pinturas o en tuberías de transporte de agua domiciliaria. Otros esfuerzos que incluyen al mercurio están relacionados con objetos en contacto con alimentos crudos desde contenedores como ollas, latas, hasta utensilios de corte. En estos casos, los metales conflictivos, están en presencia minoritaria, formando parte de la composición química de aleaciones específicas como los aceros de las hojas de cuchillo. En este momento, el mayor de los retos consiste en retirar el plomo y algunos otros metales pesados de la industria automotriz y la electrónica, tan difundida en estos días.

Como ejemplo, cabe citar que las baterías de medio ácido de uso frecuente en automotores, demanda aproximadamente el 70% de la producción global de plomo. Sin embargo, es destacable que la gran mayoría de este material es reciclado. En este punto, es importante destacar que aunque el material se reutilice en gran medida, las emisiones generadas en el proceso son contaminantes y tóxicas, afectando en gran medida al medio ambiente. Una parte muy pequeña del material descartado se utiliza en el diseño de manualidades, otra es descompuesta por incineración, mientras que una gran cantidad del mismo termina su vida en rellenos de basura, afectando el contenido químico del suelo y posiblemente del agua subterránea.

Por otro lado, es bien conocido que la industria electrónica e informática posee un diseño de utilización caracterizado por un ciclo de vida corto de los productos. Como ejemplo, muchos artefactos ven el fin de su vida útil por obsolescencia técnica antes que por una falla electrónica que lo justifique, pasando a ser parte de una montaña de basura tecnológica, lo que podría ser parte de otra discusión. Estos dispositivos electrónicos, contienen también elementos pesados en su interior.

La exposición humana al plomo y otros elementos pesados ocurre potencialmente durante todo el  ciclo de vida de los materiales. Durante la extracción y purificación en la minería, y la producción del producto que lo contendrá, los operarios están en contacto directo con la materia prima o el metal refinado. Posteriormente, el público consumidor, a través del uso, para pasar a la disposición en el fin de la vida útil del producto. Posteriormente, el ciclo puede repetirse cuando es reciclado o ser expuesto al medio ambiente al ser destinado como basura.

Se dice que la electrónica depende directamente de la posibilidad de ensamblar los dispositivos. Esto parece trivial, pero es real. Aunque el diseño de los circuitos integrados permite cada vez más poder de cálculo gracias a una mayor densidad de componentes internos, mejorando potencia, reducción de costos, el consumo, etc., es necesario en algún momento integrarlo a un dispositivo. La aleación de aporte más comúnmente utilizada era, hasta hace unos años, la de composición eutéctica estaño-plomo (Sn-33%Pb, expresado como % en peso). Las propiedades físicas y térmicas que posee le ha permitido sobrevivir en este entorno tan competitivo. Es maleable, posee una temperatura de fusión bien determinada de 183ºC, apta para los materiales electrónicos en contacto con el metal líquido durante la soldadura, y no requiere un control preciso del proceso para su utilización. Retirar esta aleación del mercado requiere encontrar una aleación sustituta que al menos tenga propiedades similares o superiores, de ser posible un costo adecuado, y muestre la estabilidad que esta aleación presenta.

A nivel internacional, la decisión de retirar gradualmente de los productos electrónicos el contenido de plomo y otros metales a partir del año 2006, ha causado un impacto importante en el mercado. La iniciativa comienza en la Unión Europea y es adoptada gradualmente por los Estados Unidos, China, y por países emergentes. En nuestro caso, las resoluciones del Mercado Común del Sur (MerCoSur) que incluyen a Argentina, Brasil, Uruguay y Paraguay y más recientemente a Venezuela y Bolivia, incluyen una directiva para la utilización de aleaciones sustitutas sin contenido de plomo (ALP: aleaciones libres de plomo) en el ensamble de productos electrónicos.

La investigación científica para encontrar un sustituto a la aleación eutéctica Sn-Pb comenzó fuertemente en la década de 1990. En ese momento se pasó de un abanico de aproximadamente 75 sistemas de aleaciones diferentes a una docena en esta última década. Hoy en día la candidata principal, y que está siendo utilizada actualmente en producción, es la aleación de estaño, plata y cobre (SAC, por las primeras letras de su fórmula Sn-Ag-Cu). La composición más difundida está alrededor de la correspondiente al eutéctico ternario, Sn-3.5%Ag-0.7%Cu, con sutiles variaciones alrededor de esos valores, y con el eventual aporte de pequeñas cantidades de elementos minoritarios como zinc, indio, bismuto, con el propósito de mejorar sus propiedades y estabilidad térmicas y mecánicas a largo plazo. Hay que notar que la plata, considerada antibacteriana en pequeñas cantidades, puede resultar tóxica en medios acuáticos en grandes cantidades. A pesar de esto, en presencia del estaño se obtiene un componente particularmente estable que no se disuelve en el suelo ni en medios acuosos. Otros componentes como el bismuto también son considerados peligrosos, pero ingresan en la aleación en muy pequeñas cantidades.

Respecto a las propiedades de las nuevas aleaciones SAC, su punto de fusión de 217ºC es un poco superior al de la aleación eutéctica Sn-Pb, por lo que se requiere un poco más de energía para su uso y genera consecuentemente mayor exposición térmica a los componentes electrónicos. Sin embargo, las nuevas aleaciones han mostrado un mejoramiento en lo referente a las propiedades mecánicas de la unión soldada, y un mejor comportamiento frente al trabajo a temperaturas elevadas, lo cual la hace más atractiva en la utilización en componentes críticos en la industria automotriz y aeroespacial.

Sin embargo, existe una diferencia fundamental entre las distintas familias de aleaciones, que es el desarrollo de las microestructuras de solidificación resultantes durante el enfriamiento. Los trabajos más recientes muestran que aunque las estructuras de solidificación de la unión soldada obtenidas en las aleaciones Sn-Pb son prácticamente independientes de la tasa de enfriamiento, las aleaciones de la familia SAC muestran una fuerte dependencia con las condiciones del proceso, pudiéndose obtener consecuentemente un control adicional en las propiedades resultantes de la unión formada.  

Numerosos estudios se han desarrollado, fundamentalmente tendientes a la caracterización de estas nuevas aleaciones y nuestro Grupo ha aportado algunos resultados experimentales en lo que se refiere a las propiedades térmicas, los mecanismos de fluidez del metal en estado líquido y de la solidificación y la formación de estructuras resultantes en la unión. Existe en principio, una base de datos de las propiedades más relevantes, lo que ha permitido una inserción rápida en el medio tecnológico. A pesar de esto, el  problema no se encuentra totalmente cerrado, y prueba de ello es el gran interés académico y tecnológico que existe en el mundo por la aplicación definitiva de estas aleaciones libres de plomo.

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Dra. Carina MORANDO:
Doctora en Física. Investigadora Asistente CONICET. Profesora Adjunta Facultad de Ciencias Económicas, UNICEN.
Contacto: carinamorando [at] yahoo [dot] com [dot] ar
Dr. Osvaldo FORNARO:
Doctor en Física.  Investigador  Adjunto CONICET. Profesor Asociado, Facultad de Ciencias Exactas, UNICEN.
Contacto: ofornaro [at] exa [dot] unicen [dot] edu [dot] ar