Introdução
Durante a operação, as placas principais de controle de bordo dos veículos de transporte ferroviário estão sujeitas a vibrações contínuas de baixa-frequência e choques repentinos de-aceleração alta. Sob essas condições de alta-vibração, a ameaça mais crítica enfrentada pela fabricação de PCBA é a fratura frágil das juntas de solda. Esse tipo de fratura normalmente ocorre na interface do composto intermetálico (IMC) entre as juntas de solda-sem chumbo e as placas de PCB. É caracterizada por início repentino sem aviso prévio e pode facilmente levar a interrupções de sinal ou falhas de controle nos trens. Para melhorar a vida útil da fadiga por vibração das placas-mãe de transporte ferroviário, a solução fundamental reside na otimização da composição da liga de solda de uma perspectiva micro{8}}metalúrgica.
Mecanismo de fratura frágil sob tensão vibratória: concentração de tensão na camada IMC
Durante osoldagem por refluxoNo estágio de fabricação do PCBA, o estanho na solda convencional-sem chumbo reage com o cobre na superfície do PCB, formando inevitavelmente uma camada de compostos intermetálicos (IMC). Embora esta estrutura eutética sirva como ligação para uma ligação mecânica forte, é inerentemente um material frágil. Durante a vida útil dos equipamentos de transporte ferroviário, tensões mecânicas alternadas complexas atuam continuamente nos componentes e no substrato. Devido a diferenças significativas nos coeficientes de expansão térmica (CTE) e módulos elásticos entre o substrato PCB (FR-4) e componentes cerâmicos ou chips de silício, as tensões de deformação mecânica geradas pela vibração tornam-se altamente concentradas na interface IMC, que tem apenas alguns micrômetros de espessura. Quando a tensão de cisalhamento acumulada excede a resistência de ligação nos limites dos grãos, as trincas iniciam-se rapidamente e se propagam lateralmente dentro do IMC ou em sua interface com a almofada de cobre, causando delaminação quebradiça instantânea da junta de solda.
Adicionando vestígios de bismuto e antimônio: fortalecendo a matriz de estanho e refinando a estrutura do grão
Para neutralizar vibrações mecânicas de alta-intensidade, melhorar a microestrutura da liga de solda e diminuir a taxa de propagação de trincas são os objetivos principais na otimização da composição da liga. Na fabricação-de montagem em superfície de placas-mãe de alta{3}}potência para transporte ferroviário, novas ligas-de alta confiabilidade-baseadas no tradicional estanho-prata-cobre (SAC), mas dopadas com vestígios de bismuto (Bi) e Stibium (Sb) -são agora amplamente utilizadas. A incorporação de bismuto permite o fortalecimento da solução sólida, aumentando significativamente o limite de escoamento da própria matriz de solda. Enquanto isso, a adição de antimônio retarda a taxa de engrossamento do grão sob condições de alta-temperatura e estresse, mantendo uma microestrutura-de granulação fina. Grãos mais finos resultam em um aumento substancial no número de contornos de grão. Quando as ondas de choque vibratório se propagam na junta de solda, esses numerosos limites de grãos dispersam e absorvem efetivamente a energia, forçando as microfissuras a mudar continuamente sua direção de propagação e alongando seu caminho para a penetração, estendendo assim a vida útil de fadiga dinâmica da junta de solda em mais de 1,5 vezes.
Efeito sinérgico de vestígios de níquel e cobalto: modificando a morfologia e espessura do IMC
Ao controlar a resistência da matriz cristalina, é essencial "afinar" e modificar diretamente a microestrutura da camada IMC-o local onde ocorre a fratura frágil. Ao introduzir vestígios de níquel (Ni) e cobalto (Co)-aproximadamente 0,05%-na liga de pasta de solda, a cinética de crescimento de compostos intermetálicos interfaciais durante o processo de refluxo pode ser significativamente alterada. O níquel pode deslocar uma porção do cobre, transformando a camada eutética originalmente grosseira, em forma de leque e com espessura irregular em uma estrutura cristalina composta mais lisa, mais densa e com espessura uniforme. O cobalto, por outro lado, suprime efetivamente o crescimento descontrolado de uma camada frágil de-baixa qualidade causada pela difusão secundária desencadeada por aumentos de temperatura durante o serviço subsequente-de longo prazo do PCBA. O controle estrito da espessura total da camada IMC dentro de uma faixa ideal pode reduzir significativamente a concentração de tensão na interface e eliminar as condições que conduzem à fratura frágil.
Combinado com tecnologia de tratamento de superfície: criando uma interface metalúrgica que equilibra rigidez e flexibilidade
As vantagens da composição da solda devem ser perfeitamente combinadas, tanto física quanto quimicamente, com o acabamento superficial das placas de PCB para obter resistência ideal à vibração. Para placas-mãe de trânsito ferroviário com alta-vibração, acabamentos de superfície de níquel galvanizado-ouro (ENIG)-que podem facilmente causar fenômenos de almofada preta e fratura frágil de camadas ricas em-fósforo-geralmente não são recomendados. Em vez disso, são preferidos conservantes de solda orgânicos (OSP) ou prata de imersão de grau eletrônico (Im-Ag). O tratamento de superfície OSP permite que a solda formulada de alto-desempenho entre em contato direto com o cobre puro, formando uma camada eutética de cobre puro-estanho durantesoldagem por refluxoe evitar a distorção da rede na interface causada pela introdução de átomos de impurezas metálicas de terceiros. Sob essa interface metalúrgica, combinada com uma espessura apropriada de revestimento conformal ou preenchimento localizado, um mecanismo de defesa que equilibra rigidez e flexibilidade é formado-onde a estrutura externa alivia o estresse e a microestrutura interna absorve energia-eliminando assim completamente a possibilidade de fratura frágil.
Superar o problema da fratura frágil da junta de solda sob condições de alta-vibração requer uma abordagem técnica abrangente, que vai desde o-ajuste fino da composição metalúrgica microestrutural até a otimização dos parâmetros macroscópicos do processo.
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