Introduzione
Scenari applicativi estremi come gli inverter per veicoli a nuova energia, i-caricabatterie di bordo (OBC) e gli inverter per lo stoccaggio dell'energia fotovoltaica spingono l'affidabilità della produzione PCBA a nuovi limiti fisici. Quando si opera a potenza elevata, la temperatura di giunzione di questi prodotti spesso rimane entro l'intervallo di alta-temperatura compreso tra 125 e 150 gradi per periodi prolungati. Sotto gli effetti combinati di continue sollecitazioni termiche e meccaniche, le leghe di saldatura senza piombo-subiscono una deformazione plastica lenta e permanente nota come "creep". Una volta che il creep si accumula in una certa misura, provoca la formazione di crepe microscopiche nei giunti di saldatura, che alla fine portano al cedimento per fatica. L'analisi del meccanismo di scorrimento delle leghe di saldatura e l'implementazione di interventi di processo precisi durante la produzione di PCBA sono fondamentali per garantire il funzionamento affidabile a lungo-termine dei nuovi dispositivi elettronici energetici.
Meccanismo di scorrimento della saldatura: scorrimento del limite del grano nei metalli sottoposti a stress da alta-temperatura
Le leghe per saldatura senza piombo- (come la SAC305 comunemente usata, una lega di stagno-argento-rame contenente il 3,0% di argento e lo 0,5% di rame) hanno un punto di fusione di circa 217 gradi. Secondo i principi della meccanica dei materiali, quando la temperatura operativa di un metallo supera il 50% del suo punto di fusione assoluto (misurato in Kelvin), l'effetto creep viene attivato in modo significativo. A 125 gradi (circa 398 K), la temperatura omologa della saldatura SAC305 raggiunge 0,81, superando di gran lunga la soglia di scorrimento di 0,5. Ciò significa che anche in condizioni di sollecitazioni molto basse-come lo stress di taglio causato da coefficienti di espansione termica (CTE) non corrispondenti tra il PCB e il chip-i grani metallici della matrice di stagno all'interno del giunto di saldatura subiranno un lento scorrimento reciproco e una diffusione atomica lungo i bordi dei grani. Il servizio prolungato ad alta-temperatura porta all'ingrossamento dei grani all'interno dei giunti di saldatura, con vuoti microscopici che si accumulano ai bordi dei grani e si evolvono in cricche macroscopiche. Questa è la causa tecnica fondamentale dello scarso contatto elettrico o dei circuiti aperti intermittenti nei nuovi gruppi PCBA di energia.
Modifica della lega tramite doping di oligoelementi: miglioramento dell'effetto di bloccaggio del confine del grano
Poiché le saldature tradizionali senza piombo- faticano a resistere ai danni da creep a temperature elevate prolungate, l'adozione di nuovi materiali in lega con resistenza allo creep superiore è la strategia principale per affrontare questa sfida nell'attuale produzione di PCBA. La produzione di pannelli centrali per nuove applicazioni energetiche sta gradualmente incorporando saldature ad alta-affidabilità drogate con oligoelementi (come bismuto (Bi), antimonio (Sb), nichel (Ni) e cobalto (Co)), con le leghe Innolot che servono come tipico esempio. Incorporando questi oligoelementi nella matrice dello stagno, all'interno del metallo si forma una fase di dispersione della seconda-fase fine e uniformemente distribuita. Quando si verifica lo scorrimento sui giunti di saldatura, queste particelle dure agiscono come un "effetto bloccante" ai bordi dei grani, inibendo efficacemente lo scorrimento dei grani metallici e il movimento delle micro-dislocazioni. I dati sperimentali mostrano che nei test di invecchiamento termico a 150 gradi, la resistenza alla trazione e la-resistenza allo scorrimento alle alte temperature delle leghe Innolot sono più del doppio di quelle dello standard SAC305, fornendo una robusta barriera microstrutturale per le schede madri dei nuovi inverter energetici.
Saldatura a rifusioneControllo della velocità di raffreddamento: ottimizzazione della dimensione iniziale dei grani
Oltre alla composizione della saldatura stessa, il controllo termodinamico durante il processo di produzione del PCBA determina direttamente la capacità della microstruttura iniziale di resistere allo scorrimento viscoso. La velocità di raffreddamento nel processo di saldatura a rifusione è un parametro di controllo chiave. I tecnici devono controllare rigorosamente la velocità di raffreddamento durante la fase di raffreddamento tra 3,5 gradi e 5,5 gradi al secondo. Il raffreddamento rapido costringe il metallo fuso a solidificarsi rapidamente, dando luogo a una microstruttura eutettica fine, densa e uniformemente distribuita che sopprime la formazione di cristalli singoli grossolani. Poiché le microstrutture a grana fine-hanno più bordi di grano, forniscono una migliore resistenza meccanica a temperatura ambiente; inoltre, durante le prime fasi dello scorrimento ad alta-temperatura, la microstruttura densa ritarda la nucleazione e l'espansione dei vuoti. Se la velocità di raffreddamento è troppo lenta (ad esempio, inferiore a 2,0 gradi al secondo), i composti grossolani simili ad aghi Ag₃Sn-precipiteranno all'interno dei giunti di saldatura. Durante il successivo servizio ad alta-temperatura a lungo termine, le aree circostanti queste particelle grossolane sono altamente inclini a diventare punti di concentrazione di stress e saranno le prime a indurre fessurazioni da scorrimento.
Indurimento del sottoriempimento: trasferimento e dispersione dello stress esterno
Ristrutturando la distribuzione delle sollecitazioni esterne nell'area saldata, è possibile ridurre efficacemente il carico di scorrimento sopportato dalla lega di saldatura e prolungare la durata complessiva del PCBA. Per i dispositivi ad alta-temperatura e di grandi-dimensioni che trasportano correnti elevate sulle schede madri dei veicoli a nuova energia (come moduli IGBT e BGA di grandi-dimensioni), i produttori in genere incorporano un processo di underfill doporiflussofornosaldatura. Utilizzando distributori automatici ad alta-precisione, la resina epossidica ad alto-modulo e basso-CTE viene iniettata sotto il chip. Attraverso l'azione capillare, riempie gli spazi tra il componente e il PCB e viene sottoposto a polimerizzazione termica. Lo strato di resina polimerizzata lega saldamente il chip alla scheda, formando un'unità rigida e integrata. Quando un aumento della temperatura provoca un disadattamento del CTE, la maggior parte dello stress di taglio viene assorbito e disperso dalla matrice resina esterna, riducendo drasticamente il carico fisico applicato ai giunti della pasta saldante. Ciò ritarda l'inizio della fase di scorrimento termico per la lega di saldatura a livello strutturale.
Superare le sfide del creep associate alle leghe di saldatura richiede un approccio completo e multi-dimensionale che comprenda la selezione metallurgica, il controllo della temperatura del forno e il rinforzo strutturale.
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