Kako zagotovimo zanesljivost spajkanih spojev na tiskanih vezjih za sončne LED parkovne luči?

Uteži pri toplotnem cikliranju in združljivost materialov

Neujemanje toplotne razteznosti med LED-i, podlagami FR-4 in spajko SAC305

Pomembno je, da se materiali pravilno ujemajo, kadar gre za zanesljive lotne spoje na tistih sončnih svetlobnih LED ploščah za krajinsko osvetlitev. Oglejte si številke: LED-i se razširijo približno 6 do 8 delov na milijon na stopinjo Celzija, medtem ko se podlage FR-4 razširijo približno 14 do 17 ppm/°C. Lot SAC305, ki ga običajno uporabljamo, se razširi še bolj, približno 22 ppm/°C. Te razlike ustvarjajo resne težave ob spremembah temperature. Kaj se zgodi? Mehanski napetosti se kopičijo neposredno na spojih med komponentami. Sčasoma to vodi do nastanka majhnih razpok v samih lotnih spojih. Poročila iz industrije kažejo, da približno dve tretjine zgodnjih okvar v zunanjih sončnih osvetlitvenih sistemih povzročajo težave zaradi toplotnega razširjanja. Zato se pametni proizvajalci tako intenzivno osredotočajo na skladno prilagajanje materialov. Ko to naredijo prav, znatno zmanjšajo točke napetosti in svoje izdelke naredijo bistveno bolj trajne skozi vse te cikle segrevanja in ohlajevanja, ki se dogajajo zunaj.

Pospešeno toplotno cikliranje (−40 °C do +85 °C, več kot 1000 ciklov) kot kazalnik zanesljivosti

Preskusi pospešenega toplotnega cikliranja simulirajo desetletja sezonskih obremenitev v nekaj tednih. Izpostavljanje tiskanih vezij (PCB) več kot 1000 ciklom med −40 °C in +85 °C razkrije napredovanje okvar, ki se močno ujema z dejansko zmogljivostjo:

• Zgodnja faza (cikli 1–300) : Debeljenje plasti medkovinskih spojin (IMC)
• Srednja faza (cikli 301–700) : Spletenje mikropolnosti in začetek nastanka razpok
• Končna faza (več kot 700 ciklov) : Lomovi skozi spoj in električna prekinjenost

Ta metodologija napove zanesljivost v terenu z natančnostjo 92 %, če se uskladi s podnebnimi profilom regije. Proizvajalci, ki uporabljajo ovrednotene protokole toplotnega cikliranja, poročajo za 40 % manj reklamacij v regijah z nestabilno temperaturo.

Optimizacija brezsvinčevih lotov za trajnost v zunanjih pogojih

Svetlobne LED naprave za krajinsko osvetlitev so izpostavljene neustopnim okoljskim vplivom – UV sevanju, vlažnosti in širokim temperaturnim nihanjem – kar zahteva zanesljivost trdnih lotnih spojev. Razumevanje mehanizmov odpovedi in izboljšanje proizvodnih postopkov sta ključna za dolgo življenjsko dobo.

Mehanizmi degradacije zaradi UV/vlažnosti v zlitinah SnAgCu na tiskanih vezjih svetlobnih LED naprav za krajinsko osvetlitev

SnAgCu ali SAC vrsta brezsvinčenega lota izpolnjuje okoljske standarde, vendar se razgradi, če je daljši čas izpostavljena zunanjemu okolju. Sončna svetloba pospešuje razpad plastičnih delov na tiskanih vezjih, kar sčasoma oslabi povezavo med lotom in ploščo. Hkrati vlaga prodre v te povezave in povzroča kemične reakcije, ki ustvarijo majhne prevodne poti po površinah, kjer ne bi smeli biti, kar lahko vodi do nevarnih kratkih stikov. Ko so izpostavljeni ponavljajočim se ciklom visoke vlažnosti okoli 85 odstotkov relativne vlažnosti pri približno 85 stopinjah Celzija, se hitrost korozije spojev SAC305 poveča za približno štirideset odstotkov v primerjavi z običajnimi laboratorijskimi pogoji. Ta kombinirani učinek pomeni, da morajo proizvajalci reševati težave z več vidikov, pri čemer morajo upoštevati tako uporabljene materiale kot tudi načrtovanje izdelkov.

Nadzor profila preliva za zmanjšanje praznin in variabilnosti medkovinskih spojin (IMC)

Natančno toplotno upravljanje med prelivom določa celovitost spoja. Ključni parametri vključujejo:

• Hitrost dviga temperature : ≤2°C/sekundo, da se izognemo termičnemu šoku komponent in odlaminaciji ploščadi
• Maksimalna temperatura : 240–245°C za zlitino SAC305 – zagotavlja popolno stopitev zlitine brez poškodbe toplotno občutljivih LED
• Čas nad likvidusom (TAL) : 60–90 sekund za omejitev prekomernega rasti IMC
• Hitrost hlajenja : 3–4°C/sekundo za spodbujanje drobnozrnate, mehansko obstojne IMC plasti (<4 μm debeline)

Praznine, ki presegajo 25 % površine spoja, zmanjšajo življenjsko dobo pri termični utrujenosti za 50 %. Preliv s pomočjo dušika zmanjšuje oksidacijo in zmanjša nastajanje praznin na <5 % – ključna prednost za uporabo v vlažnih zunanjih aplikacijah.

Standardi skladnosti IPC in vizualnega pregleda za zanesljivost lotnih spojev

Kriteriji za ustreznost razreda 2 po standardu IPC-A-610 za tiskane vezije (PCB) sončnih LED svetilk za krajinsko osvetlitev

Tiskana vezija (PCB) sončnih LED svetilk za krajinsko osvetlitev morajo izpolnjevati zahteve razreda 2 po standardu IPC-A-610 – industrijskem standardu za elektronske sestave, ki so namenjeni dolgorabnim uporabam v nekritičnih, a zahtevnih okoljih, kot je zunanja osvetlitev. Ključne zahteve za lotne spoje vključujejo:

• Minimalno 75 % pokritost pete filca pri površinskih montažnih LED
• Ni vidnih razpok v prebodnih priključkih po toplotnem cikliranju
• Največ 25 % praznin v lotnih priključkih

Samodejna optična kontrola (AOI) preveri te parametre glede na dokumentirane meje sprejetja/nezadostnosti in zagotavlja, da spoji zdržijo toplotnega cikliranja za uporabo v vrtovih (−40 °C do +85 °C). Neustrezne razpoke ali nezadostno navlaževanje je treba popraviti pred vgradnjo v vodotesni ovoj, da se prepreči okvara zaradi vlage.

Smernice po standardu IPC-J-STD-001G Dodatek B za navlaževanje ploščic ENIG in geometrijo filca

Ko gre za površine brezstikalnega nikeliranja in ponornega zlata (ENIG), ki se pogosto uporabljajo na tiskanih vezjih za sončne razsvetljave, določa dodatek B standarda IPC-J-STD-001G posebne zahteve za močenje, ki jih morajo proizvajalci upoštevati. Pravilna geometrija filca pomeni, da mora biti stik lota pod kotom manj kot 90 stopinj ter da se ob meji med bakerom in lotom oblikuje enakomeren intermetalni spojin. Po standardu dodatka B mora biti vsaj 95 % ploščic prekritih v roku le petih sekund med reflow postopkom pri delu s zlitino SAC305. To pomaga izogniti se težavam z odmočenjem, ki bi lahko oslabile odpornost plošče na poškodbe zaradi vlage s tekom časa. Pri termičnih profilih je bistveno ohranjanje najvišje temperature med 235 in 245 stopinj Celzija. Ta območje omogoča ustrezne lastnosti močenja, hkrati pa zmanjšuje tveganje krhkosti zaradi zlata, kar preprečuje rast nevarenih dendritov in korozijo, še posebej v vlažnih okoljih.

Strategije varstva okolja pred okvaro zaradi vlage

Voda, ki vstopa v sklepe, je še vedno eden največjih problemov, ki povzroča škodo na spajkalnih povezavah na teh sončnih vrtnih svetilkah. To vodi do hitrejše tvorbe rje in hitrejše odpovedi električne energije, ko so te luči v elementih izklopljene. Najboljša obramba se začne z uporabo skladnih premazov, ki so običajno izdelani iz akrilnih ali silikonskih materialov, po industrijskih smernicah, kot je IPC-CC-830B. Te zaščitne plasti ustvarjajo močne ovire pred vlago in tudi dobro vzdržujejo izpostavljenost sončni svetlobi, kar je zelo pomembno, če morajo te luči v vrtovih dolgoročno zanesljivo delovati. Prav tako je pomembno, da se med materialom pločevine in premazom pravilno poveča stopnja širjenja. Ko se temperature gibljejo med minus 40 in plus 85 stopinj Celzija, se material, ki se ne ujema, ne drži skupaj in se začne raztrgati.

Za visoko tvegane aplikacije zajema plastna zaščita:

• Litje gonilnikov in baterijskih prikljupek s epoksi ali poliuretanskimi smolami
• Nanašanje hidrofobnih nano-prevlek neposredno na lotne spoje za odvajanje prodora vode
• Vgradnja odtočnih kanalov v ohišja za preprečevanje zbiranja vode

Vsak sestav mora preiti stroge okoljske preglede pred izdajo. Standardni test vključuje obratovanje komponent več kot 500 ur pri relativni vlažnosti 85 odstotkov in temperaturi 85 stopinj Celzija v skladu s standardi IEC 60068-2-78. To pomaga preveriti, ali bodo lotni spoji zdržali v resničnih pogojih. Ko vlaga ni ustrezno nadzorovana, se stopnja okvar lahko poveča do trikrat pri ponavljajočih se ciklih mokrih in suhih okolij. Pravilno izvedba se začne zgodaj v fazi načrtovanja. Inženirji morajo biti pozorni na zmanjšanje majhnih rež okoli lotnih ploščic, kjer se težave začnejo. Prevodnike morajo razporediti dovolj daleč, da preprečijo neželene kemične reakcije. Iskanje pravilnega ravnovesja med debelino zaščitnega premaza in odvajanjem toplote je zahtevno delo. Preveč debela tesnila zadrži toploto znotraj, kar sčasoma dejansko pospešuje rast medkovinskih spojin v zlitini SAC305.

Pogosta vprašanja

Kaj povzroča težave pri termičnem cikliranju v sončnih LED svetilkah za zunanjo osvetlitev?

Težave s termičnim cikliranjem so predvsem posledica neujemanja stopnje toplotne razteznosti med LED-i, podlagami FR-4 in lotom SAC305, kar povzroči mehansko napetost in razpoke v lotnih spojih ob spremembah temperature.

Kako deluje pospešeno testiranje termičnega cikliranja?

Pospešeno testiranje termičnega cikliranja simulira desetletja temperaturnega napora v krajšem času, pri čemer razkrije napredovanje okvar skozi cikle in napoveduje dejansko zmogljivost v praksi.

Zakaj se brezsvinčeni lotni spoji poslabšujejo v zunanjih okoljih?

Brezsvinčeni lotni spoji se poslabšujejo zaradi izpostavljenosti UV-sevanju in visoki vlažnosti, kar povzroči razgradnjo plastičnih komponent ter kemijske reakcije, ki vodijo do korozije in električnih okvar.

Kako se lahko preprečijo okvare lotnih spojev, povzročene z vlago?

Okvare, povzročene z vlago, se lahko preprečijo s konformnimi prevlekami, hidrofobnimi nano-prevlekami in ustrezno strategijo načrtovanja za zagotovitev zaščite pred okoljem.