Introdução
Cenários de aplicação extremos, como inversores de veículos de energia nova,-carregadores integrados (OBCs) e inversores de armazenamento de energia fotovoltaica levam a confiabilidade da fabricação de PCBA a novos limites físicos. Ao operar em alta potência, a temperatura de junção desses produtos geralmente permanece dentro da faixa-de alta temperatura de 125 graus a 150 graus por longos períodos. Sob os efeitos combinados de tensões térmicas e mecânicas contínuas, as ligas de solda sem chumbo sofrem uma deformação plástica lenta e permanente conhecida como "fluência". Uma vez que a fluência se acumula até certo ponto, causa a formação de rachaduras microscópicas nas juntas de solda, levando à falha por fadiga. A análise do mecanismo de fluência de ligas de solda e a implementação de intervenções precisas no processo durante a fabricação de PCBA são fundamentais para garantir a operação confiável-de longo prazo de novos eletrônicos de energia.
Mecanismo de fluência da solda: deslizamento do limite de grãos em metais sob tensão de alta-temperatura
Ligas de solda-sem chumbo (como a comumente usada SAC305, uma liga de estanho-prata-cobre contendo 3,0% de prata e 0,5% de cobre) têm um ponto de fusão de aproximadamente 217 graus. De acordo com os princípios da mecânica dos materiais, quando a temperatura operacional de um metal excede 50% do seu ponto de fusão absoluto (medido em Kelvin), o efeito de fluência é significativamente ativado. A 125 graus (aproximadamente 398 K), a temperatura homóloga da solda SAC305 atinge 0,81, excedendo em muito o limite de fluência de 0,5. Isso significa que mesmo sob tensões muito baixas,-como a tensão de cisalhamento causada por coeficientes de expansão térmica (CTE) incompatíveis entre a PCB e o chip,-os grãos de metal da matriz de estanho dentro da junta de solda sofrerão deslizamento mútuo lento e difusão atômica ao longo dos limites dos grãos. O serviço prolongado-de alta temperatura leva ao engrossamento dos grãos dentro das juntas de solda, com vazios microscópicos se acumulando nos limites dos grãos e evoluindo para rachaduras macroscópicas. Esta é a causa técnica fundamental do mau contato elétrico ou circuitos abertos intermitentes em novos conjuntos de PCBA de energia.
Modificação de liga via dopagem com oligoelementos: aprimorando o efeito de fixação do limite do grão
Como as soldas tradicionais-sem chumbo lutam para resistir aos danos por fluência sob altas temperaturas prolongadas, a adoção de novos materiais de liga com resistência superior à fluência é a estratégia principal para enfrentar esse desafio na fabricação atual de PCBA. A produção de placas centrais para novas aplicações de energia está gradualmente incorporando soldas de alta{2}}confiabilidade dopadas com oligoelementos (como bismuto (Bi), antimônio (Sb), níquel (Ni) e cobalto (Co)), com as ligas Innolot servindo como um exemplo típico. Ao incorporar esses oligoelementos na matriz de estanho, uma fase de dispersão de segunda fase fina e uniformemente distribuída é formada dentro do metal. Quando ocorre fluência nas juntas de solda, essas partículas duras atuam como um "efeito de fixação" nos limites dos grãos, inibindo efetivamente o deslizamento dos grãos do metal e o movimento de micro{6}}deslocamentos. Dados experimentais mostram que em testes de envelhecimento térmico a 150 graus, a resistência à tração e a vida útil de fluência em altas-temperaturas das ligas Innolot são mais que o dobro do padrão SAC305, fornecendo uma barreira microestrutural robusta para as placas principais de novos inversores de energia.
Soldagem por refluxoControle da taxa de resfriamento: otimizando o tamanho inicial do grão
Além da composição da solda em si, o controle termodinâmico durante o processo de fabricação do PCBA determina diretamente a capacidade da microestrutura inicial de resistir à fluência. A taxa de resfriamento no processo de soldagem por refluxo é um parâmetro de controle chave. Os técnicos devem controlar rigorosamente a taxa de resfriamento durante a fase de resfriamento entre 3,5 graus e 5,5 graus por segundo. O resfriamento rápido força o metal fundido a solidificar rapidamente, resultando em uma microestrutura eutética fina, densa e uniformemente distribuída que suprime a formação de monocristais grosseiros. Como as microestruturas-de granulação fina têm mais limites de grão, elas fornecem melhor resistência mecânica à temperatura ambiente; além disso, durante os estágios iniciais da fluência em alta-temperatura, a microestrutura densa atrasa a nucleação e a expansão dos vazios. Se a taxa de resfriamento for muito lenta (por exemplo, abaixo de 2,0 graus por segundo), compostos grosseiros semelhantes a agulhas Ag₃Sn precipitarão dentro das juntas de solda. Durante o serviço subsequente de-alta{15}}temperatura de longo prazo, as áreas ao redor dessas partículas grossas são altamente propensas a se tornarem pontos de concentração de tensão e serão as primeiras a induzir trincas por fluência.
Cura por Subenchimento: Transferência e Dispersão de Tensão Externa
Ao reestruturar a distribuição de tensões externas na área soldada, é possível reduzir efetivamente a carga de fluência suportada pela liga de solda e prolongar a vida útil geral do PCBA. Para dispositivos encapsulados de-tamanho grande-de alta temperatura e transportando altas correntes em placas-mãe de veículos de energia nova (como módulos IGBT e BGAs-de grande porte), os fabricantes normalmente incorporam um processo de preenchimento insuficiente apósrefluxofornode solda. Usando máquinas dosadoras de alta-precisão, resina epóxi de alto-módulo e baixo-CTE é injetada abaixo do chip. Por ação capilar, preenche as lacunas entre o componente e a PCB e sofre cura térmica. A camada de resina curada une firmemente o chip à placa, formando uma unidade rígida e integrada. Quando um aumento de temperatura causa incompatibilidade de CTE, a maior parte da tensão de cisalhamento é absorvida e dispersa pela matriz de resina externa, reduzindo drasticamente a carga física aplicada às juntas de pasta de solda. Isto atrasa o início da fase de fluência térmica da liga de solda no nível estrutural.
Superar os desafios de fluência associados às ligas de solda requer uma abordagem abrangente e multi{0}}dimensional que abrange seleção metalúrgica, controle de temperatura do forno e reforço estrutural.
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