EN
Výzvy tepelného cyklovania a kompatibilita materiálov
Nesúlad tepelnej rozťažnosti medzi LED diódami, substrátmi FR-4 a spájkou SAC305
Je veľmi dôležité, aby sa materiály správne kombinovali, pokiaľ ide o spoľahlivé spoje pri pájaní dosiek plošných spojov (PCB) slnečných LED vonkajších osvetľovacích zariadení. Pozrime sa na čísla: LED diódy sa rozťahujú približne o 6 až 8 častí na milión na stupeň Celzia, zatiaľ čo substráty FR-4 sa rozťahujú približne o 14 až 17 ppm/°C. Používaný cínový spoj SAC305 sa rozťahuje ešte viac, približne o 22 ppm/°C. Tieto rozdiely spôsobujú skutočné problémy pri zmenách teploty. Čo sa deje? Mechanické napätie sa hromadí priamo v spojeniach medzi súčiastkami. S časom to vedie k vzniku malých trhlín v samotných spojoch. Priemyselné správy zo záhraničia uvádzajú, že približne dve tretiny skorých porúch vonkajších osvetľovacích systémov na slnečnú energiu sú spôsobené týmito problémami tepelného rozťahovania. Preto múdri výrobcovia venujú tak veľkú pozornosť presnému prispôsobeniu materiálov. Keď to zvládnu správne, výrazne znížia miesta namáhania a predĺžia životnosť svojich výrobkov cez všetky teplotné cykly, ktoré sa vonku vyskytujú.
Zrýchlené tepelné cyklovanie (−40 °C až +85 °C, viac ako 1000 cyklov) ako ukazovateľ spoľahlivosti
Testy zrýchleného tepelného cyklovania simulujú desaťročia sezónnych zaťažení v priebehu týždňov. Vystavenie dosiek plošných spojov viac ako 1000 cyklom medzi −40 °C a +85 °C odhaľuje postupné poruchy, ktoré sú silne korelované so skutočným prevádzkovým správaním:
- Počiatočné štádium (cykly 1–300) : Zhrubnutie vrstvy intermetalických zlúčenín (IMC)
- Stredné štádium (cykly 301–700) : Koadenzácia mikropórov a vznik trhlín
- Konečné štádium (viac ako 700 cyklov) : Trhliny prechádzajúce cez celý spoj a elektrická prerušenosť
Táto metodika predpovedá prevádzkovú spoľahlivosť s presnosťou 92 %, ak je zaradená podľa regionálnych klimatických profilov. Výrobcovia používajúci overené protokoly tepelného cyklovania hlásia o 40 % menej reklamácií v regiónoch s veľkou teplotnou nestabilitou.
Optimalizácia bezolovnatého spájkovacieho procesu pre vonkajšiu trvanlivosť
Svetelné LED krajinné osvetlenie na slnečnú energiu čelí neúprosným environmentálnym vplyvom – expozícii UV žiareniu, vlhkostným cyklom a veľkým teplotným výkyvom, čo vyžaduje spoľahlivosť pevných spojov pri pájení. Porozumenie mechanizmom porúch a zdokonaľovanie výrobných protokolov je nevyhnutné pre dlhú životnosť.
Mechanizmy degradácie spôsobenej UV/vlhkosťou v zliatinách SnAgCu na doskách plošných spojov svetelného LED krajinného osvetlenia na slnečnú energiu
Cínovo- strieborné- meďové alebo typ SAC olovené spájkovanie spĺňa environmentálne normy, ale má tendenciu sa rozpadávať, ak je po dlhšiu dobu vystavené vonkajšiemu prostrediu. Slnečné svetlo dokonca zrýchľuje rozpadanie plastových častí na doskách plošných spojov, čo postupne oslabuje spojenie medzi spájkou a doskou. Súčasne sa vlhkosť dostáva do týchto spojov a spôsobuje chemické reakcie, ktoré vytvárajú malé vodivé dráhy na povrchoch, kde nemajú byť, čo môže potenciálne viesť k nebezpečným skratom. Keď sú vystavené opakovaným cyklom vysoké vlhkosti okolo 85 percent relatívnej vlhkosti pri teplote približne 85 stupňoch Celzia, rýchlosť, akou sa korózne degradujú spájkové spoje SAC305, stúpa približne o štyridsať percent vo porovnaní s bežnými laboratórnymi podmienkami. Tento kombinovaný efekt znamená, že výrobcovia musia premýšľať o riešení problémov z viacerých strán, a to s ohľadom na použité materiály aj návrh produktov.
Ovládanie profilu reflow na minimalizáciu dutín a variability medzikovových zlúčenín (IMC)
Presná tepelná regulácia počas reflow určuje pevnosť spojov. Kľúčové parametre zahŕňajú:
- Rýchlosť nárastu teploty : ≤2°C/sekundu, aby sa predišlo tepelnému šoku súčiastok a odlupovaniu pájok
- Maximálna teplota : 240–245°C pre SAC305 – zabezpečuje úplné roztavenie zliatiny bez poškodenia teplom citlivých LED
- Čas nad teplotou tuhnutia (TAL) : 60–90 sekúnd, aby sa obmedzil nadmerný rast IMC
- Rýchlosť chladenia : 3–4°C/sekundu, čo podporuje vznik jemnozrnných, mechanicky odolných vrstiev IMC (<4 μm hrubých)
Dutiny presahujúce 25 % plochy spoja znížia životnosť pri tepelnej únave o 50 %. Reflow s dusíkom potláča oxidáciu a zníži tvorbu dutín na <5 % – kľúčová výhoda pre vonkajšie aplikácie náchylné na vlhkosť.
Dodržiavanie noriem IPC a vizuálne kontrolné normy pre spoľahlivosť pájok
Kritériá prijatia podľa IPC-A-610 trieda 2 pre dosky plošných spojov slnečných LED okrasných svietidiel
Dosky plošných spojov pre slnečné LED okrasné svietidlá vyžadujú dodržanie normy IPC-A-610 trieda 2 – priemyselný štandard pre elektronické zostavy určené na dlhodobé používanie v nekritických, ale náročných prostrediach, ako je vonkajšie osvetlenie. Kľúčové požiadavky na spájkové spoje zahŕňajú:
- Minimálne 75 % pokrytie päty plniaceho materiálu u povrchovo montovaných LED
- Žiadne viditeľné trhliny v prechodných spojoch po tepelnom cyklovaní
- Maximálne 25 % dutín v spájkových spojoch
Automatická optická kontrola (AOI) overuje tieto parametre voči dokumentovaným prahom pre schválenie/zamietnutie a zabezpečuje, aby spoje odolali tepelnému cyklovaniu v záhradnom prostredí (−40 °C až +85 °C). Nesplňujúce trhliny alebo nedostatočné zmáčanie sa musia opraviť pred tesnením, aby sa zabránilo poruchám spôsobeným vlhkosťou.
Odporúčania podľa IPC-J-STD-001G príloha B pre zmáčanie plôšok ENIG a geometriu plniaceho materiálu
Pokiaľ ide o povrchy typu elektrochemicky niklový ponorový zlato (ENIG), ktoré sa bežne používajú na tlačených doskách pre aplikácie solárneho osvetlenia, norma IPC-J-STD-001G, príloha B stanovuje konkrétne požiadavky na zmáčanie, ktoré výrobcovia musia dodržať. Správne dosiahnutie geometrie olovového filčeka znamená, že cín musí kontaktovať pod uhlom menším ako 90 stupňov a tvoriť rovnomernú vrstvu intermetalického zlúčeniny, kde meď stretáva sa s cínom. Podľa noriem prílohy B by malo byť pokryté aspoň 95 % plôch do pätich sekúnd počas reflow procesu pri použití zliatiny SAC305. To pomáha predchádzať problémom s nedostatočným zmáčaním, ktoré môže oslabiť schopnosť dosky odolávať poškodeniu vlhkom v priebehu času. Pre tepelné profily je nevyhnutné udržiavať maximálne teploty v rozsahu medzi 235 a 245 stupňami Celzia. Tento rozsah umožňuje vhodné vlastnosti zmáčania, zároveň udržuje riziko krehkosti zlata na nízkej úrovni, čo zabraňuje rastu otravných dendrítov a predchádza koróznym problémom, najmä keď dosky skončia vo vlhkých prostrediach.
Stratégie ochrany životného prostredia proti zlyhaniu spôsobenému vlhkosťou
Prenikanie vody do spojov stále patrí medzi najväčšie problémy, ktoré poškodzujú spájkované spoje na doskách plošných spojov solárnych svetiel pre záhradu. To má za následok rýchlejšie tvorenie hrdze a skoršie výskyt elektrických porúch, keď tieto svetlá pracujú vonku v prírodných podmienkach. Najlepšou obranou je nanášanie izolačných povlakov, ktoré sú zvyčajne vyrobené z akrylových alebo silikónových materiálov, v súlade s priemyselnými normami ako IPC-CC-830B. Tieto ochranné vrstvy vytvárajú účinné bariéry proti vlhkosti a tiež vykazujú dobrú odolnosť voči pôsobeniu slnečného žiarenia, čo je dôležité pre spoľahlivý prevádzku týchto svetiel v záhradách dlhodobo. Veľmi dôležité je tiež správne nastavenie koeficientov tepelného rozťažnosti medzi materiálom dosky a povlakom. Pri teplotných výkyvoch medzi mínus 40 stupňami Celzia a plus 85 sa materiály s rozdielnou rozťažnosťou nepatrne neudržia a začnú sa odlupovať.
Pre aplikácie s vysokým rizikom zahŕňa viacvrstvá ochrana:
- Plnenie elektroniky a batériových pripojení epoxidovými alebo polyuretánovými živica
- Nanášanie hydrofóbnych nano-povlakov priamo na spájkované spoje, aby sa odrazil vstup vody
- Integrácia odvodňovacích kanálikov do krytov, aby sa zabránilo hromadeniu vody
Každá zostava musí prejsť prísnymi environmentálnymi kontrolami pred uvoľnením. Štandardný test zahŕňa prevádzku komponentov viac ako 500 hodín pri relatívnej vlhkosti 85 percent a teplote 85 stupňov Celzia podľa noriem IEC 60068-2-78. To pomáha overiť, či spoje výdržia za reálnych podmienok. Ak nie je vlhkosť riadne kontrolovaná, miera porúch sa môže počas opakovaných cyklov mokrých a suchých prostredí zvýšiť až trojnásobne. Správne riešenie začína už v fáze návrhu. Inžinieri by mali zamerať svoju pozornosť na zníženie tých malých medzier okolo spájkových plôšok, kde problémy vznikajú. Musia priestorovo oddeliť vodiče dostatočne na to, aby zabránili nežiaducim chemickým reakciám. Nájdenie správnej rovnováhy medzi hrúbkou ochranného povlaku a odvádzaním tepla je náročná práca. Príliš hrubé tesnenie zachytáva teplo vo vnútri, čo postupom času skutočne urýchľuje rast intermetalických zlúčenín v zliatinách SAC305.
Číslo FAQ
Čo spôsobuje problémy s tepelným cyklovaním v solárnych LED dekoratívnych svetlách?
Cyklické zaťaženie teplom je spôsobené hlavne nesúladom tepelných rozšírení medzi LED, substrátmi FR-4 a pájkou SAC305, čo spôsobuje mechanické napätie a praskliny v spojoch pri zmene teploty.
Ako funguje zrýchlené testovanie cyklického zaťaženia teplom?
Zrýchlené testovanie cyklického zaťaženia teplom simuluje desaťročia teplotného zaťaženia za krátky čas, odhaľuje postupné poruchy cez cykly a predpovedá výkon v reálnych podmienkach.
Prečo sa bezolovnové spoje degradujú v vonkajšom prostredí?
Bezolovnové spoje sa degradujú vplyvom expozície na UV žiarenie a vysokú vlhkosť, čo spôsobuje rozpadanie plastových komponentov a chemické reakcie vedúce k korózii a elektrickým poruchám.
Ako možno predchádzať poruchám spojov spôsobeným vlhkosťou?
Poruchám spôsobeným vlhkosťou možno predchádzať použitím konformných povlakov, hydrofóbnymi nano-povlakmi a vhodnými návrhovými stratifikáciami na zabezpečenie ochrany proti vonkajšiemu prostrediu.
