вступ
Екстремальні сценарії застосування, такі як інвертори для нових транспортних засобів, -бортові зарядні пристрої (OBC) і фотоелектричні інвертори накопичення енергії, підвищують надійність виробництва PCBA до нових фізичних меж. Під час роботи на високій потужності температура з’єднання цих продуктів часто залишається в межах високого-температурного діапазону від 125 градусів до 150 градусів протягом тривалого часу. Під сукупним впливом безперервних термічних і механічних навантажень безсвинцеві-припої зазнають повільної та постійної пластичної деформації, відомої як «повзучість». Коли повзучість накопичується до певної міри, це спричиняє утворення мікроскопічних тріщин у паяних з’єднаннях, що зрештою призводить до втомного руйнування. Аналіз механізму повзучості сплавів припою та впровадження точних технологічних процесів під час виробництва друкованих плат є основоположними для забезпечення тривалої-надійної роботи нової енергетичної електроніки.
Механізм повзучості припою: ковзання межі зерна в металах під високо-температурним навантаженням
Сплави-безсвинцевого припою (такі як широко використовуваний SAC305, сплав олова-срібла-міді, що містить 3,0% срібла та 0,5% міді) мають температуру плавлення приблизно 217 градусів. Відповідно до принципів механіки матеріалів, коли робоча температура металу перевищує 50% його абсолютної точки плавлення (вимірюється в Кельвінах), ефект повзучості значно активізується. При 125 градусах (приблизно 398 K) гомологічна температура припою SAC305 досягає 0,81, що значно перевищує поріг повзучості 0,5. Це означає, що навіть за дуже низьких навантажень-, таких як напруга зсуву, спричинена невідповідністю коефіцієнтів теплового розширення (КТР) між друкованою платою та мікросхемою-металічні зерна олов’яної матриці в паяному з’єднанні зазнають повільного взаємного ковзання та дифузії атомів уздовж меж зерен. Тривала робота при високій{18}}температурі призводить до укрупнення зерен у паяних з’єднаннях із мікроскопічними пустотами, що накопичуються на межах зерен і перетворюються на макроскопічні тріщини. Це основна технічна причина поганого електричного контакту або періодичних розривів ланцюгів у нових вузлах PCBA для енергопостачання.
Модифікація сплаву за допомогою легування мікроелементами: посилення ефекту закріплення меж зерен
Оскільки традиційні безсвинцеві{0}}припої важко протистояти пошкодженню повзучістю під час тривалих високих температур, впровадження нових сплавів із чудовою стійкістю до повзучості є основною стратегією вирішення цієї проблеми в поточному виробництві друкованих плат. Виробництво основних плат для нових енергетичних застосувань поступово включає високо-надійні припої, леговані мікроелементами (такими як вісмут (Bi), сурма (Sb), нікель (Ni) і кобальт (Co)), типовим прикладом є сплави Innolot. Завдяки введенню цих мікроелементів у матрицю олова в металі утворюється тонка та рівномірно розподілена дисперсійна фаза другої-фази. Коли в паяних з’єднаннях виникає повзучість, ці тверді частинки діють як «ефект закріплення» на межах зерен, ефективно перешкоджаючи ковзанню металевих зерен і переміщенню мікро-дислокацій. Експериментальні дані показують, що під час випробувань на термічне старіння при 150 градусах міцність на розрив і довговічність при високій -температурі повзучості сплавів Innolot більш ніж удвічі перевищує стандарт SAC305, забезпечуючи надійний мікроструктурний бар’єр для материнських плат нових інверторів енергії.
Пайка оплавленнямКонтроль швидкості охолодження: оптимізація початкового розміру зерна
На додаток до складу самого припою, термодинамічний контроль під час процесу виробництва PCBA безпосередньо визначає здатність початкової мікроструктури протистояти повзучості. Швидкість охолодження в процесі пайки оплавленням є ключовим контрольним параметром. Техніки повинні суворо контролювати швидкість охолодження під час фази охолодження від 3,5 градусів до 5,5 градусів за секунду. Швидке охолодження змушує розплавлений метал швидко тверднути, що призводить до тонкої, щільної та рівномірно розподіленої евтектичної мікроструктури, яка пригнічує утворення грубих монокристалів. Оскільки дрібно{6}}мікроструктури мають більше меж зерен, вони забезпечують кращу механічну міцність за кімнатної температури; крім того, на ранніх стадіях повзучості при високій{7}}температурі щільна мікроструктура затримує зародження та розширення пустот. Якщо швидкість охолодження надто повільна (наприклад, нижче 2,0 градусів за секунду), грубі голчасті сполуки Ag₃Sn- будуть випадати в осад у паяних з’єднаннях. Під час наступної довготривалої-високо{15}}температурної експлуатації, області, що оточують ці грубі частинки, дуже схильні до того, щоб стати точками концентрації напруги та першими спричинять розтріскування повзучості.
Затвердіння під заповненням: зовнішня передача напруги та дисперсія
Шляхом реструктуризації розподілу зовнішньої напруги в спаяній зоні можна ефективно зменшити навантаження від повзучості, яку несе сплав припою, і продовжити загальний термін служби друкованої плати. Для високотемпературних, великих-упакованих пристроїв, які передають високі струми на нових материнських платах транспортних засобів з енергоспоживанням (таких як модулі IGBT і великі-розмірні BGA), виробники зазвичай включають процес недоповнення післяоплавленняпічпайка. За допомогою високо-точних дозуючих машин епоксидну смолу з високим-модулем і низьким-КТР вводять під чіп. Завдяки капілярній дії він заповнює проміжки між компонентом і друкованою платою та піддається термічному твердінню. Затверділий шар смоли щільно з’єднує мікросхему з платою, утворюючи жорсткий інтегрований блок. Коли підвищення температури спричиняє невідповідність КТР, більша частина напруги зсуву поглинається та розсіюється зовнішньою полімерною матрицею, різко знижуючи фізичне навантаження на з’єднання паяльної пасти. Це затримує початок фази термічної повзучості для сплаву припою на структурному рівні.
Щоб подолати проблеми повзучості, пов’язані зі сплавами припоїв, потрібен комплексний, багато{0}}вимірний підхід, який охоплює металургійний вибір, контроль температури печі та структурне посилення.
Короткі факти про NeoDen
- Створено в 2010 році, 200 + співробітників, 27000+ кв. фабрика.
- Продукти NeoDen: машини PnP різних серій, NeoDen YY1, NeoDen4, NeoDen5, NeoDen K1830, NeoDen9, NeoDen N10P. Серія Reflow Oven IN, а також повна лінія SMT включає все необхідне обладнання SMT.
- Успішні 10000+ клієнти по всьому світу.
- 40+ Глобальні агенти в Азії, Європі, Америці, Океанії та Африці.
- Центр досліджень і розробок: 3 відділи досліджень і розробок з 25+ професійними інженерами-дослідниками.
- Внесено до списку CE та має 70+ патентів.
- 30+ інженери з контролю якості та технічної підтримки, 15+ старші міжнародні відділи продажів, для своєчасної відповіді клієнтів протягом 8 годин і надання професійних рішень протягом 24 годин.