Introduction
Des scénarios d'application extrêmes tels que les onduleurs pour véhicules à énergie nouvelle, les-chargeurs embarqués (OBC) et les onduleurs de stockage d'énergie photovoltaïque poussent la fiabilité de la fabrication de PCBA à de nouvelles limites physiques. Lorsqu'ils fonctionnent à puissance élevée, la température de jonction de ces produits reste souvent dans la plage de températures élevées-de 125 degrés à 150 degrés pendant des périodes prolongées. Sous les effets combinés de contraintes thermiques et mécaniques continues, les alliages de soudure sans plomb subissent une déformation plastique lente et permanente appelée « fluage ». Une fois que le fluage s’accumule dans une certaine mesure, il provoque la formation de fissures microscopiques dans les joints de soudure, conduisant finalement à une rupture par fatigue. L'analyse du mécanisme de fluage des alliages de soudure et la mise en œuvre d'interventions de processus précises lors de la fabrication des PCBA sont fondamentales pour garantir le fonctionnement fiable à long terme de la nouvelle électronique énergétique.
Mécanisme de fluage de la soudure : glissement aux limites des grains dans les métaux soumis à une contrainte à haute température-
Les alliages de soudure sans plomb-(tels que le SAC305 couramment utilisé, un alliage d'étain-argent-cuivre contenant 3,0 % d'argent et 0,5 % de cuivre) ont un point de fusion d'environ 217 degrés. Selon les principes de la mécanique des matériaux, lorsque la température de fonctionnement d'un métal dépasse 50 % de son point de fusion absolu (mesuré en Kelvin), l'effet de fluage est activé de manière significative. À 125 degrés (environ 398 K), la température homologue de la soudure SAC305 atteint 0,81, dépassant largement le seuil de fluage de 0,5. Cela signifie que même sous des contraintes très faibles-telles que la contrainte de cisaillement provoquée par des coefficients de dilatation thermique (CTE) inadaptés entre le PCB et la puce-les grains métalliques de la matrice d'étain à l'intérieur du joint de soudure subiront un glissement mutuel lent et une diffusion atomique le long des joints de grains. Un service prolongé à haute température entraîne un grossissement des grains dans les joints de soudure, avec des vides microscopiques s'accumulant aux joints de grains et évoluant vers des fissures macroscopiques. Il s'agit de la cause technique fondamentale d'un mauvais contact électrique ou de circuits ouverts intermittents dans les assemblages PCBA à énergie nouvelle.
Modification de l'alliage via dopage par éléments traces : amélioration de l'effet de fixation des limites des grains
Étant donné que les soudures traditionnelles sans plomb-ont du mal à résister aux dommages causés par le fluage sous des températures élevées et prolongées, l'adoption de nouveaux matériaux d'alliage offrant une résistance supérieure au fluage est la stratégie principale pour relever ce défi dans la fabrication actuelle de PCBA. La production de cartes mères pour les nouvelles applications énergétiques intègre progressivement des soudures à haute fiabilité dopées avec des oligo-éléments (tels que le bismuth (Bi), l'antimoine (Sb), le nickel (Ni) et le cobalt (Co)), les alliages Innolot servant d'exemple typique. En incorporant ces oligo-éléments dans la matrice d'étain, une phase de dispersion de seconde phase - fine et uniformément répartie est formée dans le métal. Lorsque le fluage se produit au niveau des joints de soudure, ces particules dures agissent comme un « effet de fixation » aux joints de grains, inhibant efficacement le glissement des grains métalliques et le mouvement des micro-dislocations. Les données expérimentales montrent que lors des tests de vieillissement thermique à 150 degrés, la résistance à la traction et la durée de vie au fluage à haute température des alliages Innolot sont plus de deux fois supérieures à celles de la norme SAC305, fournissant ainsi une barrière microstructurelle robuste pour les cartes mères des nouveaux onduleurs d'énergie.
Soudure par refusionContrôle du taux de refroidissement : optimisation de la taille initiale des grains
En plus de la composition de la soudure elle-même, le contrôle thermodynamique lors du processus de fabrication du PCBA détermine directement la capacité de la microstructure initiale à résister au fluage. La vitesse de refroidissement dans le processus de brasage par refusion est un paramètre de contrôle clé. Les techniciens doivent contrôler strictement la vitesse de refroidissement pendant la phase de refroidissement entre 3,5 degrés et 5,5 degrés par seconde. Un refroidissement rapide force le métal en fusion à se solidifier rapidement, ce qui donne lieu à une microstructure eutectique fine, dense et uniformément répartie qui supprime la formation de monocristaux grossiers. Étant donné que les microstructures à grains fins-ont plus de joints de grains, elles offrent une meilleure résistance mécanique à température ambiante ; de plus, pendant les premiers stades du fluage à haute -température, la microstructure dense retarde la nucléation et l'expansion des vides. Si la vitesse de refroidissement est trop lente (par exemple, inférieure à 2,0 degrés par seconde), des composés grossiers de type aiguille Ag₃Sn- précipiteront dans les joints de soudure. Au cours du service ultérieur à long terme à haute température-, les zones entourant ces particules grossières sont très susceptibles de devenir des points de concentration de contraintes et seront les premières à induire des fissures de fluage.
Durcissement sous remplissage : transfert et dispersion des contraintes externes
En restructurant la répartition des contraintes externes dans la zone soudée, il est possible de réduire efficacement la charge de fluage supportée par l'alliage de soudure et de prolonger la durée de vie globale du PCBA. Pour les appareils-à haute température et de grande taille-transportant des courants élevés sur les cartes mères de véhicules à énergie nouvelle (tels que les modules IGBT et les BGA de grande taille-), les fabricants intègrent généralement un processus de sous-remplissage aprèsrefusionfoursoudure. À l'aide de machines de distribution de haute-précision, une résine époxy à haut-module et à faible-CTE est injectée sous la puce. Par action capillaire, il comble les espaces entre le composant et le PCB et subit un durcissement thermique. La couche de résine durcie lie étroitement la puce à la carte, formant une unité rigide et intégrée. Lorsqu'une augmentation de température provoque un décalage du CTE, la majeure partie de la contrainte de cisaillement est absorbée et dispersée par la matrice de résine externe, réduisant ainsi considérablement la charge physique appliquée aux joints de pâte à souder. Cela retarde le début de la phase de fluage thermique de l'alliage de soudure au niveau structurel.
Relever les défis liés au fluage associés aux alliages de soudure nécessite une approche globale-dimensionnelle qui englobe la sélection métallurgique, le contrôle de la température du four et le renforcement structurel.
Faits en bref sur NeoDen
- Créée en 2010, 200 + employés, 27000+ m². usine.
- Produits NeoDen : machines PnP de différentes séries, NeoDen YY1, NeoDen4, NeoDen5, NeoDen K1830, NeoDen9, NeoDen N10P. La série IN de fours de refusion, ainsi que la ligne SMT complète, comprennent tous les équipements SMT nécessaires.
- 10000+ clients à succès dans le monde entier.
- 40+ Agents mondiaux couverts en Asie, en Europe, en Amérique, en Océanie et en Afrique.
- Centre R&D : 3 départements R&D avec 25+ ingénieurs R&D professionnels.
- Répertorié CE et obtenu 70+ brevets.
- 30+ ingénieurs de contrôle qualité et d'assistance technique, 15+ ventes internationales seniors, pour une réponse rapide des clients dans les 8 heures et des solutions professionnelles fournies dans les 24 heures.