Ponto de Fusão da Solda: Guia de Temperatura da Liga

O ponto de fusão da solda depende inteiramente da sua liga. A solda eutética de estanho-chumbo (Sn63/Pb37) funde a uma temperatura única e precisa de 183 °C (361 °F) , enquanto a liga sem chumbo mais comum, SAC305, funde numa faixa de aproximadamente 217–220 °C (423–428 °F) . Em toda a família de ligas de solda, os valores variam de cerca de 138 °C para a solda de estanho-bismuto de baixa temperatura até 300 °C ou mais para soldas com alto teor de chumbo. Este guia fornece os valores exatos para cada liga, explica a diferença entre ponto de fusão e faixa de fusão e mostra por que esses poucos graus determinam se uma junta de placa de circuito impresso (PCI) está correta ou defeituosa.

Qual é o ponto de fusão da solda?

O ponto de fusão é a temperatura na qual uma liga de solda passa do estado sólido para o líquido, permitindo que ela molhe as superfícies metálicas e forme uma junta. A complicação reside no fato de que apenas as ligas eutéticas possuem um único ponto de fusão verdadeiro. Uma mistura eutética — Sn63/Pb37 é o exemplo clássico — funde e solidifica a uma temperatura exata, sem um estado intermediário pastoso. Essa transição abrupta é o que faz com que a solda eutética produza juntas limpas e seja mais fácil de trabalhar.

A maioria das ligas não eutéticas funde em uma faixa delimitada por duas temperaturas:

• Sólido — a temperatura na qual a liga começa derreter. Abaixo disso, está completamente sólido.
• Líquido — a temperatura na qual a liga é totalmente líquido. Acima disso, flui livremente.

Entre o solidus e o liquidus, a solda é parcialmente sólida e parcialmente líquida — uma faixa pastosa ou plástica. Juntas perturbadas nessa faixa tendem a ficar granulosas e fracas (uma causa clássica de junta fria ou mal feita), o que é um dos motivos pelos quais ligas eutéticas sem faixa plástica são preferidas para soldagem manual.

Ponto de fusão da solda com chumbo (estanho-chumbo)

A solda de estanho-chumbo (SnPb) dominou a eletrônica por décadas e ainda é usada em aplicações aeroespaciais, de defesa e médicas, onde sua confiabilidade e a ausência de filamentos de estanho são importantes. Seu comportamento de fusão depende da proporção de estanho para chumbo, e todas as ligas de SnPb compartilham a mesma temperatura de solidificação de 183 °C (a temperatura eutética):

A conclusão prática é que a liga Sn63/Pb37 é a ideal quando se deseja juntas o mais limpas possível, pois evita a fase pastosa pela qual as outras proporções passam.

Ponto de fusão da solda sem chumbo

A RoHS e regulamentações semelhantes impulsionaram a maioria dos componentes eletrônicos comerciais a adotar solda sem chumbo, composta principalmente de estanho com adições de prata, cobre e, às vezes, bismuto ou níquel. As ligas sem chumbo fundem a uma temperatura 30–45 °C mais alta do que as ligas de estanho-chumbo, o que representa a principal consequência prática dessa mudança: o aumento das temperaturas de pico de refluxo e do estresse térmico em placas e componentes.

A liga SAC305 é a base da maioria das montagens de PCBs sem chumbo. Existem variantes com menor teor de prata e dopadas para reduzir custos ou melhorar o desempenho em quedas e ciclos térmicos, mas seus pontos de fusão permanecem próximos aos 217 °C da liga SAC.

Soldas de baixa e alta temperatura

Além das ligas convencionais, dois grupos especiais situam-se nos extremos da escala de temperatura.

Soldas de baixa temperatura

A liga de estanho-bismuto (Sn42/Bi58) funde a apenas 138 °C (281 °F) , e a de índio-estanho (In52/Sn48) a cerca de 118 °C (244 °F) . Essas ligas são usadas quando componentes ou substratos não toleram o calor de refluxo normal — LEDs sensíveis ao calor, certos sensores, substratos flexíveis e soldagem em etapas, onde uma segunda junta precisa ser feita sem derreter a primeira. A desvantagem é que as ligas de bismuto tendem a ser mais quebradiças.

Soldas de alta temperatura

Ligas com alto teor de chumbo, como Sn10/Pb88/Ag2 (em torno de 268–290 °C) e Sn5/Pb95 (cerca de 308–312 °C), permanecem sólidas em temperaturas que derreteriam a solda comum. Elas são usadas na fixação de chips de semicondutores de potência, em eletrônica para perfuração de poços de petróleo e gás e em outros ambientes de alta temperatura. Para referência, o estanho puro derrete a 232 °C e o chumbo puro a 327 °C.

Tabela comparativa do ponto de fusão da solda

Este gráfico consolidado coloca as ligas metálicas mais comuns lado a lado, da mais baixa à mais alta temperatura de fusão.

Ponto de fusão versus temperatura de soldagem e refluxo

Uma fonte comum de confusão é tratar o ponto de fusão como a temperatura que você define no seu ferro de soldar ou forno. Não é. O ponto de fusão indica quando a solda se torna líquida; para realmente molhar as ilhas de solda e fluir adequadamente, você precisa trabalhar um pouco acima do ponto de fusão (liquidus).

• Temperatura da ponta do ferro de soldar A temperatura é ajustada bem acima do ponto de fusão para aquecer rapidamente a junta antes que a ponta esfrie. As configurações típicas são aproximadamente 315–370 °C (600–700 °F) para solda com chumbo e 350–400 °C (660–750 °F) Para produtos sem chumbo, ajustados ao tamanho da ponta e à massa da junta.
• temperatura máxima de refluxo é definida cerca de 20–40 °C acima do liquidus da liga. Para o SAC305 (liquidus ~220 °C), um pico típico é 235–250°C; para Sn63/Pb37 com chumbo, um pico em torno de 210–225°C é normal.

A diferença entre o ponto de fusão e a temperatura de trabalho é intencional: uma margem muito pequena resulta em baixa fluidez da solda (juntas frias, má molhagem); uma margem muito grande aumenta o risco de descolamento das ilhas de solda, danos a componentes sensíveis ao calor ou sobreposição da temperatura de transição vítrea da placa.

Por que o ponto de fusão da solda é importante na montagem de placas de circuito impresso?

Na produção, o ponto de fusão é o valor fundamental de todos os processos térmicos. Se esse valor estiver incorreto, o rendimento será prejudicado. Ele é mais importante nos seguintes casos:

• Perfil de refluxo. O perfil de refluxo de quatro zonas (pré-aquecimento, patamar, refluxo e resfriamento) é definido a partir do solidus e do liquidus da pasta de liga. O pico deve ultrapassar o liquidus por uma margem de segurança, sem danificar as peças — razão pela qual um perfil ajustado para SAC305 difere de um para um processo com chumbo.
• Material da placa (Tg). As temperaturas mais elevadas dos materiais sem chumbo aproximam-se da temperatura de transição vítrea de um laminado, resultando em alta Tg. FR-4 É frequentemente especificado em construções sem chumbo para evitar delaminação e deformação.
• Ligas mistas. A utilização de esferas com chumbo em perfis sem chumbo (ou vice-versa) cria juntas pouco confiáveis. A compatibilidade das ligas deve ser controlada em toda a lista de materiais, especialmente com BGA.
• Pasta de solda e estênceis. A pasta é selecionada de acordo com a liga, e o volume de depósito correto é obtido a partir de um estêncil cortado a laser Garante que a junta tenha metal suficiente quando o fluxo queimar.
• Opções para baixas temperaturas. Quando uma placa contém componentes que não suportam um pico de 245 °C, opta-se por uma liga de baixa temperatura ou por um processo seletivo.

A Highleap Electronics , fabricante chinesa de PCBs e PCBA, utiliza processos com e sem chumbo, com perfis de refluxo compatíveis com a liga da pasta de solda e a massa térmica da placa, verificados por inspeção óptica automatizada (AOI) e raios X em componentes de matriz de área. Se você não tiver certeza sobre qual liga ou acabamento é o mais adequado para o seu projeto, uma análise de projeto para manufatura (DFM) abrange a liga de solda, o acabamento da superfície e as considerações térmicas antes da fabricação da placa — parte dos serviços padrão de montagem de PCBs e SMT.

Perguntas frequentes sobre o ponto de fusão da solda

Qual é o ponto de fusão da solda em Celsius e Fahrenheit?

Depende da liga. A solda com chumbo mais comum, Sn63/Pb37, funde a 183 °C (361 °F). A solda sem chumbo mais comum, SAC305, funde a cerca de 217–220 °C (423–428 °F).

Qual é o ponto de fusão da solda sem chumbo?

A maioria das soldas eletrônicas sem chumbo funde entre aproximadamente 217 °C e 227 °C. A SAC305 atinge 217–220 °C, a solda eutética de estanho-prata 221 °C e a de estanho-cobre (Sn99.3/Cu0.7) 227 °C — cerca de 30–45 °C mais quente que a solda de estanho-chumbo.

Por que a solda eutética tem um único ponto de fusão?

Uma liga eutética como Sn63/Pb37 possui a composição específica que funde e solidifica a uma temperatura exata, sem uma faixa intermediária pastosa. Essa transição abrupta proporciona juntas limpas e facilita a soldagem manual.

Qual a temperatura que devo ajustar no meu ferro de soldar?

Acima do ponto de fusão da solda, para que o calor seja transferido rapidamente: aproximadamente 315–370 °C (600–700 °F) para solda com chumbo e 350–400 °C (660–750 °F) para solda sem chumbo, ajustando-se ao tamanho da ponta e à massa da junta. O valor exato refere-se à temperatura de trabalho, não ao ponto de fusão em si.

A temperatura de soldagem é a mesma que o ponto de fusão?

Não. O ponto de fusão é quando a solda se torna líquida; a temperatura de soldagem ou refluxo é definida acima desse ponto. Os picos de refluxo geralmente ficam 20–40 °C acima do liquidus da liga, para que a solda molhe adequadamente.

Posso misturar solda com chumbo e solda sem chumbo?

É melhor evitar. Misturar ligas — por exemplo, passar esferas BGA sem chumbo por um perfil com chumbo — cria incompatibilidades intermetálicas e de ponto de fusão que causam juntas não confiáveis. Na produção, a compatibilidade das ligas é controlada em toda a montagem.

Qual é a solda com o ponto de fusão mais baixo?

Entre as ligas comuns, a liga de índio-estanho (In52/Sn48) funde a cerca de 118 °C e a de estanho-bismuto (Sn42/Bi58) a 138 °C. Essas soldas de baixa temperatura são usadas para componentes sensíveis ao calor e soldagem em etapas, embora as ligas de bismuto sejam mais quebradiças.