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Le leghe di saldatura senza piombo esistono da quando le persone praticavano la saldatura, con fonti risalenti a circa 5.000 anni fa. La maggior parte di queste leghe erano combinazioni come rame-argento o argento-oro e venivano utilizzate con la cosiddetta saldatura forte. Si tratta di una tecnica utilizzata ancora oggi per unire insieme i metalli preziosi e semipreziosi. Uno sviluppo molto più recente è quello della saldatura tra componenti elettronici, utilizzando la cosiddetta "saldatura dolce", che comporta temperature molto più basse.

Le prime saldature dolci utilizzavano stagno puro (Sn), ma gradualmente furono ricercate leghe che risolvessero problemi come il ciclo termico, la resistenza agli urti, la migrazione degli elettroni e lo sviluppo di baffi nelle leghe a base di stagno. Sebbene il piombo (Pb) sia riuscito a ricoprire questo ruolo per la maggior parte delle applicazioni di saldatura, la progressiva eliminazione del piombo dai prodotti, nonché i nuovi requisiti per componenti sempre più a passo fine, hanno richiesto lo sviluppo di nuove leghe di saldatura in grado di ricoprire questo ruolo.

In questo articolo esamineremo i tipi di saldatura senza piombo comunemente utilizzati sia per uso hobbistico che industriale, e i droganti utilizzati per migliorarne le proprietà.

C'è una buona ragione per cui lo stagno (Sn) è così comunemente utilizzato nelle saldature dolci e nelle leghe di saldatura: fonde a basse temperature (232°C) e offre buone proprietà bagnanti (capacità di scorrere sul pad) oltre alla sua capacità di si dissolve bene con la maggior parte dei metalli. Quest'ultima proprietà è cruciale nella formazione di un buon composto intermetallico (IMC). La qualità di questo confine IMC determina la durata del giunto. Sia la granularità che il numero (e la dimensione) di eventuali vuoti nell'IMC influenzeranno questa durabilità.

I due tipi più comunemente utilizzati di saldature senza piombo sono SnAgCu (stagno-argento-rame, chiamato anche SAC) e SnCu (stagno-rame). La lega SnAgCu con il 3% di argento e lo 0,5% di rame (SAC305) è stata inizialmente approvata per l'uso nell'assemblaggio SMT, insieme a una serie di altre leghe SAC. Queste altre leghe sono tipi con un contenuto di argento più elevato, come SAC387 (3,8% Ag) e SAC405 (4% ​​Ag). Queste leghe d'argento superiori sono vere leghe eutettiche: cambiano completamente da solido a liquido al punto di fusione di 217°C. Al contrario, SAC305 ha un intervallo compreso tra 217 e 219°C.

Sebbene la SAC sia una lega di saldatura accettabile, l'aggiunta di argento ne aumenta il costo. Ciò ha spinto l'industria a utilizzare leghe a basso contenuto di argento (ad esempio SAC0307) o alternative prive di argento, come SnCuNi.

La chiave per un giunto affidabile risiede nella qualità dell'IMC forzato. Non può essere troppo spesso o troppo granulare e preferibilmente non dovrebbe presentare vuoti Kirkendall.

L'IMC di ogni giunto è soggetto a vari tipi di invecchiamento e danneggiamento:

Di questi, il ciclo termico e lo shock termico sono correlati, in quanto entrambi sono causati dalle temperature ambientali. Poiché un giunto è esposto a temperature variabili, i suoi singoli componenti saranno soggetti a dilatazione termica, che probabilmente sarà diversa tra i diversi materiali. La resistenza alla trazione del giunto determina quindi il punto in cui la deformazione risultante causerà la formazione di una fessura.

Di solito, sotto ciclo termico, l'IMC sarà soggetto a ricristallizzazione, che provoca un irruvidimento dell'IMC che consente la formazione di crepe. Gli studi hanno dimostrato che l'aggiunta di nanoparticelle La2O3 migliora l'affidabilità termica, principalmente inibendo la crescita dell'IMC. Le leghe ad alto contenuto di argento mostrano anche una migliore affidabilità termica. Anche l’aggiunta dello 0,1% di alluminio (Al) alle leghe a basso contenuto di argento ha avuto un effetto simile, così come l’aggiunta di Ni, Mn e Bi alle leghe SnAgCu.

L'impatto della caduta e la vibrazione sono correlati in modo simile, in quanto viene applicato un qualche tipo di deformazione meccanica che può influenzare il PCB, il giunto e il componente. Soprattutto con i chip BGA con un numero elevato di pin, un impatto di caduta può causare danni significativi, mettendo a dura prova proprietà come la resistenza al taglio dei giunti. Le modalità di rottura dovute alle vibrazioni meccaniche sono simili a quelle dovute ai cicli termici, causati dal graduale sviluppo di cricche.