導入
新エネルギー車用インバータ、車載充電器（OBC）、太陽光発電エネルギー貯蔵インバータなどの極端なアプリケーション シナリオは、PCBA 製造の信頼性を新たな物理的限界まで押し上げます。{0}高電力で動作する場合、これらの製品のジャンクション温度は長時間にわたって 125 度～150 度の高温範囲内に留まることがよくあります。-継続的な熱応力と機械的応力の複合効果により、鉛フリーはんだ合金は「クリープ」として知られるゆっくりとした永久的な塑性変形を受けます。{6}}クリープがある程度蓄積すると、はんだ接合部に微細な亀裂が発生し、最終的には疲労破壊につながります。はんだ合金のクリープ メカニズムを分析し、PCBA 製造時に正確なプロセス介入を実施することは、新エネルギー エレクトロニクスの長期にわたる信頼性の高い動作を保証するための基礎です。-
はんだクリープのメカニズム: 高温ストレス下での金属の粒界滑り-
鉛フリーはんだ合金（一般的に使用される SAC305 など、3.0% の銀と 0.5% の銅を含む錫-銀-）銅合金の融点は約 217 度です。材料力学の原理によれば、金属の動作温度がその絶対融点 (ケルビンで測定) の 50% を超えると、クリープ効果が著しく活性化します。 125 度 (約 398 K) では、SAC305 はんだの相同温度は 0.81 に達し、クリープしきい値の 0.5 をはるかに超えます。これは、PCB とチップ間の熱膨張係数 (CTE) の不一致によって引き起こされるせん断応力などの非常に低い応力下であっても-、はんだ接合内の錫マトリックス金属粒子は、粒子境界に沿ってゆっくりとした相互滑りと原子拡散を受けることを意味します。高温で長時間使用すると、はんだ接合部内の粒子が粗大化し、微細なボイドが粒子境界に蓄積し、巨視的な亀裂に発展します。これは、新エネルギー PCBA アセンブリにおける電気接触不良や断続的な開回路の基本的な技術的原因です。
微量元素ドーピングによる合金改質: 粒界ピンニング効果の強化
従来の鉛フリーはんだは、長時間の高温下でのクリープ損傷に耐えるのが難しいため、現在の PCBA 製造におけるこの課題に対処するための中心的な戦略は、耐クリープ性に優れた新しい合金材料の採用です。新エネルギー用途向けのコア基板の製造には、微量元素 (ビスマス (Bi)、アンチモン (Sb)、ニッケル (Ni)、コバルト (Co) など) をドープした信頼性の高いはんだが徐々に組み込まれており、代表例として Innolot 合金が挙げられます。-これらの微量元素を錫マトリックスに組み込むことにより、金属内に微細で均一に分散された第 2 相分散相が形成されます。はんだ接合部でクリープが発生すると、これらの硬質粒子が粒界で「ピン留め効果」として作用し、金属粒子の滑りや微小転位の動きを効果的に抑制します。-実験データによると、150 度の熱老化試験において、Innolot 合金の引張強度と高温クリープ寿命は標準 SAC305 の 2 倍以上であり、新エネルギー インバータのメインボードに堅牢な微細構造バリアを提供します。
リフローはんだ付け冷却速度の制御: 初期粒子サイズの最適化
はんだ自体の組成に加えて、PCBA 製造プロセス中の熱力学的制御によって、初期の微細構造のクリープ耐性が直接決まります。リフローはんだ付けプロセスにおける冷却速度は、重要な制御パラメータです。技術者は、冷却段階中の冷却速度を 1 秒あたり 3.5 度から 5.5 度の間で厳密に制御する必要があります。急速冷却により溶融金属が急速に凝固し、その結果、微細で緻密で均一に分布した共晶微細構造が形成され、粗大な単結晶の形成が抑制されます。細粒の微細構造にはより多くの粒界があるため、室温でより優れた機械的強度が得られます。さらに、高温クリープの初期段階では、緻密な微細構造によって核生成と空隙の膨張が遅れます。冷却速度が遅すぎる場合（たとえば、毎秒 2.0 度未満）、粗い Ag₃Sn 針- のような化合物がはんだ接合部内に沈殿します。その後の長期にわたる高温-使用中、-これらの粗大粒子の周囲の領域は応力集中点になりやすく、最初にクリープ亀裂を誘発します。
アンダーフィルの硬化: 外部応力の伝達と分散
はんだ付け領域の外部応力分布を再構築することにより、はんだ合金が負担するクリープ荷重を効果的に軽減し、PCBA の全体的な耐用年数を延ばすことができます。新エネルギー車のマザーボード（IGBT モジュールや大型 BGA など）で高電流を流す、高温、大型-のパッケージ デバイスの場合、メーカーは通常、製造後にアンダーフィル プロセスを組み込んでいます。リフローオーブンはんだ付け。高精度のディスペンシングマシンを使用して、高弾性率、低熱膨張率、低熱膨張率のエポキシ樹脂をチップの下に注入します。-毛細管現象により、コンポーネントと PCB の間の隙間を埋め、熱硬化します。硬化した樹脂層はチップを基板にしっかりと接着し、堅固な統合ユニットを形成します。温度上昇により CTE の不一致が生じると、せん断応力のほとんどが外側の樹脂マトリックスによって吸収および分散され、はんだペースト接合部にかかる物理的負荷が大幅に軽減されます。これにより、はんだ合金の熱クリープ段階の開始が構造レベルで遅れます。
はんだ合金に伴うクリープの問題を克服するには、冶金学的選択、オーブン温度制御、構造強化を含む包括的で多次元のアプローチが必要です。{0}
NeoDen に関する概要
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- NeoDen 製品: さまざまなシリーズ PnP マシン、NeoDen YY1、NeoDen4、NeoDen5、NeoDen K1830、NeoDen9、NeoDen N10P。リフローオーブン IN シリーズと完全な SMT ラインには、必要なすべての SMT 機器が含まれています。
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