導入
鉄道輸送車両の車載制御メインボードは、運転中、継続的な低周波振動と突然の高加速度の衝撃にさらされます。{0}{1}このような高振動条件下では、PCBA 製造が直面する最も重大な脅威は、はんだ接合部の脆性破壊です。-このタイプの破損は通常、鉛フリーはんだ接合部と PCB パッドの間の金属間化合物 (IMC) 界面で発生します。{5}前触れもなく突然発症するのが特徴で、電車の信号中断や制御障害を引き起こしやすい。鉄道交通機関のメインボードの振動疲労寿命を向上させるための根本的な解決策は、ミクロ冶金学的観点からはんだ合金の組成を最適化することにあります。-
振動応力下における脆性破壊のメカニズム：IMC層への応力集中
その間、リフローはんだ付けPCBA 製造の段階で、従来の鉛フリーはんだの錫が PCB 表面の銅と反応し、必然的に金属間化合物 (IMC) の層が形成されます。{0}この共晶構造は強力な機械的接続のための結合として機能しますが、本質的に脆い材料です。鉄道輸送機器の耐用年数の間、複雑な交互の機械的応力がコンポーネントと基板に継続的に作用します。 PCB 基板 (FR-4) とセラミック コンポーネントまたはシリコン チップの間の熱膨張係数 (CTE) と弾性率には大きな違いがあるため、振動によって発生する機械的変形応力は、厚さがわずか数マイクロメートルの IMC 界面に非常に集中します。蓄積されたせん断応力が粒界の結合強度を超えると、亀裂が急速に発生し、IMC 内または銅パッドとの界面で横方向に伝播し、はんだ接合部の瞬間的な脆性剥離を引き起こします。
微量のビスマスとアンチモンの添加: 錫マトリックスの強化と粒子構造の微細化
強度の高い機械的振動に対抗するために、はんだ合金の微細構造を改善し、亀裂の伝播速度を遅らせることが、合金組成を最適化する主な目的です。-鉄道輸送用の高出力メインボードの表面実装製造--では、従来の錫-銀-銅（SAC）をベースとし、微量のビスマス（Bi）とスティビウム（Sb）をドープした新しい-信頼性の高い合金-が現在広く使用されています-。ビスマスを導入すると固溶体の強化が可能になり、はんだマトリックス自体の降伏強度が大幅に向上します。一方、アンチモンを添加すると、高温および応力条件下での結晶粒の粗大化速度が遅くなり、微細な結晶粒の微細構造が維持されます。-。粒子が微細になると、粒界の数が大幅に増加します。振動の衝撃波がはんだ接合部に伝播すると、これらの多数の粒界が効果的にエネルギーを分散および吸収し、微小亀裂の伝播方向を継続的に変更させ、貫通までの経路を長くすることで、はんだ接合部の動的疲労寿命を 1.5 倍以上延長します。
微量のニッケルとコバルトの相乗効果: IMC の形態と厚さの変化
結晶マトリックスの強度を制御しながら、脆性破壊が発生する部位である IMC 層の微細構造を直接「薄く」して変更することが不可欠です。{0}微量のニッケル (Ni) とコバルト (Co)-約 0.05%- をはんだペースト合金に導入することにより、リフロー プロセス中の界面金属間化合物の成長速度を大幅に変えることができます。ニッケルは銅の一部を置き換えることができ、元々粗くて扇形で厚みが不均一な共晶層を、より滑らかで緻密で厚みが均一な複合結晶構造に変化させます。一方、コバルトは、PCBA のその後の長期使用中に温度上昇によって引き起こされる二次拡散によって引き起こされる、低品質の脆性層の制御不能な成長を効果的に抑制します。- IMC 層の全体の厚さを最適な範囲内に厳密に制御すると、界面での応力集中を大幅に軽減し、脆性破壊を引き起こす条件を排除できます。
表面処理技術との組み合わせで剛性と柔軟性を両立する冶金界面を実現
最適な耐振動性を実現するには、はんだ組成の利点が物理的および化学的に PCB パッドの表面仕上げと完全に一致している必要があります。高振動-レール輸送用マザーボードの場合、電気メッキされたニッケル-金（ENIG）表面仕上げ-は、黒色パッド現象やリン-リッチ層-の脆性破壊を容易に引き起こす可能性があるため、一般的に推奨されません。代わりに、有機半田防腐剤 (OSP) または電子-グレードの浸漬銀 (Im-Ag) が推奨されます。 OSP 表面処理により、配合された高性能はんだが裸の銅と直接接触し、溶接中に純銅-} 共晶層が形成されます。リフローはんだ付けサードパーティの不純物金属原子の導入によって引き起こされる界面での格子歪みを防ぎます。{0}}この冶金界面の下に、適切な厚さのコンフォーマル コーティングや局所的なアンダーフィルと組み合わせることで、剛性と柔軟性のバランスをとる防御機構が形成されます。-外部構造が応力を緩和し、内部の微細構造がエネルギーを吸収します。-それにより、脆性破壊の可能性が完全に排除されます。
高振動条件下でのはんだ接合部の脆性破壊の問題を克服するには、微細構造の冶金組成の微調整から巨視的なプロセス パラメータの最適化に至るまで、包括的な技術的アプローチが必要です。{0}{1}{1}
NeoDen に関する概要
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