Wettability device for electronic solder alloys using the sessile drop method

Abstract

In 2003, the RoHS (Restriction of Certain Hazardous Substances) Directive emerged in the European Union to restrict hazardous substances in electronics, prompting the search for alternatives to lead-based solder due to health concerns related to its toxicity. Soft solder, working at low temperatures (up to 450 °C), is essential in heat-sensitive electronic components. With the evolution of smart electronics, wettability (the ability of liquids to spread on solid surfaces) has become critical for the integration, power, miniaturization, and flexibility of electronics. However, the scarcity of affordable devices to test wettability limits research in this promising field. Addressing this need, an affordable device, costing around US$ 30.00, was developed to measure the wettability of low-temperature alloys. The construction was carried out by planning its structure and geometry through parametric 3D CAD (Computer Aided Design) modeling software. Then, the components were manufactured and assembled to conduct a wettability test. The device provided material dripping onto copper substrates, eliminating the need for prior contact. After six tests, the results revealed contact angles ranging from 139.08° to 147.93°, indicating partial wettability and low adhesion due to material drop caused by air resistance. This functional and affordable device can drive studies in the field, promoting research on lead-free solder and new materials for electronic components.

La Directiva RoHS (Restriction of Certain Hazardous Substances) surgió en la Unión Europea en el 2003 para restringir sustancias peligrosas en dispositivos electrónicos, impulsando la búsqueda de alternativas a la soldadura a base de plomo debido a preocupaciones de salud relacionadas con la toxicidad del plomo. La soldadura suave, al trabajar a bajas temperaturas (hasta 450 °C), es esencial en componentes electrónicos sensibles al calor. Con la evolución de la electrónica inteligente, la mojabilidad (la capacidad de los líquidos para extenderse sobre superficies sólidas) se ha vuelto crítica para la integración, potencia, miniaturización y flexibilidad de la electrónica. Sin embargo, la escasez de dispositivos asequibles para probar la humectabilidad limita la investigación en este campo prometedor. En respuesta a esta necesidad, se desarrolló un dispositivo asequible, con un costo de alrededor de US$ 30.00, para medir la humectabilidad de aleaciones de baja temperatura. La construcción se llevó a cabo planificando su estructura y geometría a través de un software modelador CAD (computer-aided design) paramétrico en 3D. Luego, los componentes se fabricaron y ensamblaron con el objetivo de realizar una prueba de mojabilidad. El dispositivo proporcionó goteo de material sobre sustratos de cobre, eliminando la necesidad de contacto previo. Después de seis pruebas, los resultados revelaron ángulos de contacto que oscilan entre 139,08° y 147,93°, indicando una mojabilidad parcial y baja adherencia debido a la caída del material causada por la resistencia del aire. Este dispositivo funcional y asequible puede impulsar estudios en el área, fomentando la investigación sobre soldadura sin plomo y nuevos materiales para componentes electrónicos.

Em 2003, a Diretiva RoHS (Restriction of Certain Hazardous Substances) surgiu na União Europeia para restringir substâncias perigosas em eletrônicos, gerando a busca por alternativas à solda à base de chumbo devido a preocupações de saúde por conta da toxicidade do chumbo. A solda branda, por trabalhar em baixas temperaturas (até 450 °C), é essencial em componentes eletrônicos sensíveis ao calor. Com a evolução dos eletrônicos inteligentes, a molhabilidade (a capacidade de líquidos se espalharem em superfícies sólidas) tornou-se crítica para integração, potência, miniaturização e flexibilidade de eletrônicos. Entretanto, a escassez de dispositivos acessíveis para testar a molhabilidade limita a pesquisa nesse campo promissor. Visando essa necessidade, um dispositivo acessível, custando cerca de US$ 30.00, foi desenvolvido para medir a molhabilidade de ligas de baixa temperatura. A construção foi feita a partir do planejamento de sua estrutura e geometria através de um software modelador CAD (computer-aided design) paramétrico em 3D, em seguida os componentes foram fabricados e montados com o objetivo da realização de um ensaio de molhabilidade, assim o dispositivo proporcionou o gotejamento do material em substratos de cobre, eliminando a necessidade de contato prévio. Após seis ensaios, os resultados revelaram ângulos de contato variando de 139,08° a 147,93°, apresentando molhabilidade parcial e baixa aderência por conta da queda do material devido à resistência do ar. Esse dispositivo funcional e acessível pode impulsionar estudos na área, promovendo pesquisas sobre solda branda sem chumbo e novos materiais para componentes eletrônicos.