Введение
Сценарии экстремального применения, такие как новые инверторы для транспортных средств,-бортовые зарядные устройства (OBC) и фотоэлектрические инверторы для хранения энергии, выводят надежность производства печатных плат на новые физические пределы. При работе на высокой мощности температура перехода этих продуктов часто остается в диапазоне высоких-температур от 125 до 150 градусов в течение длительного периода времени. Под совместным воздействием непрерывных термических и механических напряжений припои, не содержащие свинца, претерпевают медленную и постоянную пластическую деформацию, известную как «ползучесть». Когда ползучесть накапливается в определенной степени, в паяных соединениях образуются микроскопические трещины, что в конечном итоге приводит к усталостному разрушению. Анализ механизма ползучести припоев и выполнение точных технологических вмешательств при производстве печатных плат имеют основополагающее значение для обеспечения долгосрочной-надежной работы новой энергетической электроники.
Механизм ползучести припоя: зернограничное скольжение в металлах при высоких-температурных нагрузках
Сплавы для припоя-без свинца (например, широко используемый SAC305, сплав олова-серебра-меди, содержащий 3,0 % серебра и 0,5 % меди) имеют температуру плавления примерно 217 градусов. Согласно принципам механики материалов, когда рабочая температура металла превышает 50% его абсолютной температуры плавления (измеряется в Кельвинах), эффект ползучести значительно активируется. При 125 градусах (около 398 К) гомологичная температура припоя SAC305 достигает 0,81, что значительно превышает порог ползучести 0,5. Это означает, что даже при очень низких напряжениях,-таких как напряжение сдвига, вызванное несовпадением коэффициентов теплового расширения (КТР) между печатной платой и чипом,-зерна металла оловянной матрицы внутри паяного соединения будут подвергаться медленному взаимному скольжению и диффузии атомов вдоль границ зерен. Длительная работа при высоких-температурах приводит к укрупнению зерен в паяных соединениях, при этом микроскопические пустоты накапливаются на границах зерен и перерастают в макроскопические трещины. Это основная техническая причина плохого электрического контакта или периодических обрывов цепей в сборках печатных плат новой энергетики.
Модификация сплава с помощью легирования микроэлементами: усиление эффекта закрепления границ зерен
Поскольку традиционным-бессвинцовым припоям трудно противостоять ползучести при длительных высоких температурах, внедрение новых сплавов с превосходным сопротивлением ползучести является основной стратегией решения этой проблемы в современном производстве печатных плат. В производстве основных плат для новых энергетических применений постепенно используются высоконадежные припои, легированные микроэлементами (такими как висмут (Bi), сурьма (Sb), никель (Ni) и кобальт (Co)), типичным примером которых служат сплавы Innolot. Путем включения этих микроэлементов в оловянную матрицу внутри металла образуется тонкая и равномерно распределенная дисперсная фаза второй-фазы. Когда в паяных соединениях возникает ползучесть, эти твердые частицы действуют как «эффект закрепления» на границах зерен, эффективно препятствуя скольжению зерен металла и движению микро-дислокаций. Экспериментальные данные показывают, что при испытаниях на термическое старение при 150 градусах прочность на растяжение и срок ползучести при высоких-температурах сплавов Innolot более чем в два раза выше, чем у стандартного SAC305, что обеспечивает надежный микроструктурный барьер для материнских плат новых энергетических инверторов.
Пайка оплавлениемУправление скоростью охлаждения: оптимизация исходного размера зерна
Помимо состава самого припоя, термодинамический контроль в процессе производства печатных плат напрямую определяет способность исходной микроструктуры сопротивляться ползучести. Скорость охлаждения в процессе пайки оплавлением является ключевым параметром управления. Технические специалисты должны строго контролировать скорость охлаждения на этапе охлаждения в пределах от 3,5 до 5,5 градусов в секунду. Быстрое охлаждение приводит к быстрому затвердеванию расплавленного металла, в результате чего образуется тонкая, плотная и равномерно распределенная эвтектическая микроструктура, подавляющая образование крупных монокристаллов. Поскольку мелкозернистые микроструктуры-имеют больше границ зерен, они обеспечивают лучшую механическую прочность при комнатной температуре; кроме того, на ранних стадиях высокотемпературной ползучести плотная микроструктура задерживает зарождение и расширение пустот. Если скорость охлаждения слишком медленная (например, ниже 2,0 градусов в секунду), в паяных соединениях будут осаждаться крупные игольчатые соединения Ag₃Sn-. Во время последующей длительной -высокой-температурной эксплуатации области, окружающие эти крупные частицы, весьма склонны становиться точками концентрации напряжений и первыми вызывают растрескивание при ползучести.
Отверждение при недостаточном заполнении: передача и рассеивание внешнего напряжения
Реструктурируя распределение внешних напряжений в зоне пайки, можно эффективно снизить нагрузку ползучести, которую испытывает припой, и продлить общий срок службы печатной платы. Для высокотемпературных, больших-корпусных устройств, пропускающих большие токи на материнских платах транспортных средств с новыми источниками энергии (таких как модули IGBT и большие-размерные BGA), производители обычно включают процесс недостаточного заполнения послеперекомпоновкапечьпайка. С помощью высокоточных-дозаторных машин под чип впрыскивается эпоксидная смола с высоким-модулем и низким-КТР. Благодаря капиллярному действию он заполняет зазоры между компонентом и печатной платой и подвергается термическому отверждению. Слой затвердевшей смолы плотно связывает чип с платой, образуя жесткий интегрированный блок. Когда повышение температуры вызывает несоответствие КТР, большая часть напряжения сдвига поглощается и рассеивается внешней смоляной матрицей, что резко снижает физическую нагрузку, прикладываемую к соединениям паяльной пасты. Это задерживает наступление фазы термической ползучести припоя на структурном уровне.
Преодоление проблем ползучести, связанных с припоями, требует комплексного, многогранного подхода, который включает в себя выбор металлургии, контроль температуры в печи и усиление конструкции.
Краткие факты о NeoDen
- Основана в 2010 году, 200 + сотрудников, 27000+ кв.м. фабрика.
- Продукция NeoDen: машины PnP разных серий: NeoDen YY1, NeoDen4, NeoDen5, NeoDen K1830, NeoDen9, NeoDen N10P. Печь для оплавления серии IN, как и полная линия SMT, включает в себя все необходимое оборудование для SMT.
- Успешные клиенты 10000+ по всему миру.
- 40+ Глобальные агенты в Азии, Европе, Америке, Океании и Африке.
- Центр исследований и разработок: 3 отдела исследований и разработок, в которых работают 25+ профессиональные инженеры по исследованиям и разработкам.
- Внесен в список CE и получил 70+ патентов.
- 30+ инженеры по контролю качества и технической поддержке, 15+ старшие специалисты по международным продажам за своевременное реагирование клиентов в течение 8 часов и предоставление профессиональных решений в течение 24 часов.