Πώς εξασφαλίζουμε την αξιοπιστία των συγκολλήσεων σε πλακέτες ηλιακών φώτων τοπίου LED;

Προκλήσεις θερμικής κυκλικότητας και συμβατότητα υλικών

Μη συμβατότητα θερμικής διαστολής μεταξύ LED, υποστρωμάτων FR-4 και συγκόλλησης SAC305

Η συμβατότητα των υλικών είναι καθοριστικής σημασίας για τη δημιουργία αξιόπιστών κολλήσεων στα PCB των LED φωτιστικών για τον κήπο με ενσωματωμένη ηλιακή τροφοδοσία. Ας δούμε τα νούμερα: τα LED διαστέλλονται με ρυθμό περίπου 6 έως 8 μέρη ανά εκατομμύριο ανά βαθμό Κελσίου, ενώ τα υποστρώματα FR-4 διαστέλλονται περίπου 14 έως 17 ppm/°C. Το κολλητικό SAC305 που χρησιμοποιούμε συνήθως διαστέλλεται ακόμη περισσότερο, περίπου 22 ppm/°C. Αυτές οι διαφορές δημιουργούν πραγματικά προβλήματα κατά τις μεταβολές της θερμοκρασίας. Τι συμβαίνει; Μηχανική τάση συσσωρεύεται ακριβώς στις συνδέσεις μεταξύ των εξαρτημάτων. Με την πάροδο του χρόνου, αυτό οδηγεί στο σχηματισμό μικρορωγμών στα ίδια τα κολλητικά συνδέσμα. Βιομηχανικές αναφορές από το πεδίο υποδεικνύουν ότι περίπου τα δύο τρίτα των πρόωρων βλαβών στα εξωτερικά ηλιακά φωτιστικά συστήματα οφείλονται σε αυτά τα προβλήματα θερμικής διαστολής. Γι' αυτό οι έξυπνοι κατασκευαστές εστιάζουν τόσο πολύ στην προσεκτική επιλογή συμβατων υλικών. Όταν το επιτύχουν, μειώνουν σημαντικά τα σημεία έντασης και εξασφαλίζουν πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ζωής στα προϊόνα τους κατά τους εναλλαγές ζέστης και ψύξης που συμβαίνουν έξω.

Επιταχυνόμενη θερμική κυκλοφορία (−40°C έως +85°C, πάνω από 1000 κύκλους) ως δείκτης αξιοπιστίας

Οι δοκιμές επιταχυνόμενης θερμικής κυκλοφορίας προσομοιώνουν δεκαετίες εποχιακής φόρτισης σε μόλις εβδομάδες. Η υποβολή των PCB σε πάνω από 1.000 κύκλους μεταξύ −40°C και +85°C αποκαλύπτει την εξέλιξη της αποτυχίας, η οποία συσχετίζεται σε μεγάλο βαθμό με την πραγματική απόδοση:

• Πρώιμο στάδιο (κύκλοι 1–300) : Ενίσχυση του στρώματος των μεταλλικών ενώσεων (IMC)
• Μεσαίο στάδιο (κύκλοι 301–700) : Συγκέντρωση μικροκενών και έναρξη ρωγμών
• Τελικό στάδιο (700+ κύκλοι) : Διαμήκεις θραύσεις στις συγκολλήσεις και διακοπή ηλεκτρικής σύνδεσης

Η μεθοδολογία αυτή προβλέπει την αξιοπιστία στο πεδίο με ακρίβεια 92%, όταν ευθυγραμμίζεται με τα κλιματικά προφίλ της περιοχής. Οι κατασκευαστές που χρησιμοποιούν επαληθευμένα πρωτόκολλα θερμικής κυκλοφορίας αναφέρουν 40% λιγότερες αξιώσεις εγγύησης σε περιοχές με μεγάλες θερμοκρασιακές μεταβολές.

Βελτιστοποίηση διαδικασίας συγκόλλησης χωρίς μόλυβδο για ανθεκτικότητα σε εξωτερικούς χώρους

Οι ηλιακοί LED λαμπτήρες τοπίου αντιμετωπίζουν αμείλικτες περιβαλλοντικές επιθέσεις — έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία, υγρασία και μεγάλες διακυμάνσεις θερμοκρασίας — γεγονός που απαιτεί αξιόπιστες συγκολλήσεις. Η κατανόηση των μηχανισμών αποτυχίας και η βελτίωση των πρωτοκόλλων παραγωγής είναι απαραίτητες για τη διάρκεια ζωής.

Μηχανισμοί φθοράς από υπεριώδη/υγρασία σε κράματα SnAgCu σε πλακέτες ηλιακών LED λαμπτήρων τοπίου

Το μόλυβδος χωρίς μόλυβδο τύπου SnAgCu ή SAC πληροί τα περιβαλλοντικά πρότυπα, αλλά τείνει να καταστρέφεται όταν παραμένει εκτός για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Η ηλιακή ακτινοβολία επιταχύνει τη διαδικασία κατά την οποία τα πλαστικά εξαρτήματα στα κυκλώματα αρχίζουν να αποσυντίθενται, με αποτέλεσμα η σύνδεση μεταξύ συγκόλλησης και πλακέτας να αδυνατίζει με την πάροδο του χρόνου. Παράλληλα, η υγρασία εισχωρεί σε αυτές τις συνδέσεις και προκαλεί χημικές αντιδράσεις που δημιουργούν μικροσκοπικές αγώγιμες διαδρομές σε επιφάνειες όπου δεν θα έπρεπε, με πιθανό αποτέλεσμα επικίνδυνα βραχυκυκλώματα. Όταν εκτίθενται σε επαναλαμβανόμενους κύκλους υψηλής υγρασίας περίπου 85 τοις εκατό σχετικής υγρασίας και θερμοκρασίας περίπου 85 βαθμών Κελσίου, ο ρυθμός με τον οποίο διαβρώνονται οι συνδέσεις συγκόλλησης SAC305 αυξάνεται κατά περίπου σαράντα τοις εκατό σε σύγκριση με τις συνθήκες εργαστηρίου. Αυτή η συνδυασμένη επίδραση σημαίνει ότι οι κατασκευαστές πρέπει να λάβουν υπόψη τους τη διόρθωση προβλημάτων από πολλαπλές πλευρές, εξετάζοντας τόσο τα υλικά που χρησιμοποιούνται όσο και τον τρόπο σχεδιασμού των προϊόντων.

Έλεγχος προφίλ αναρροφής για ελαχιστοποίηση των κενών και της μεταβλητότητας των διαμεταλλικών ενώσεων (IMC)

Η ακριβής θερμική διαχείριση κατά τη διάρκεια της αναρροφής διέπει την ακεραιότητα της σύνδεσης. Κρίσιμες παράμετροι περιλαμβάνουν:

• Ρυθμός αύξησης : ≤2°C/δευτερόλεπτο για αποφυγή θερμικού σοκ των εξαρτημάτων και αποφλοίωσης των παδ
• Μέγιστη Θερμοκρασία : 240–245°C για SAC305—διασφαλίζοντας πλήρη τήξη του κράματος χωρίς βλάβη σε ευαίσθητα θερμότητα LED
• Χρόνος πάνω από το σημείο τήξης (TAL) : 60–90 δευτερόλεπτα για περιορισμό υπερβολικής ανάπτυξης IMC
• Ποσοστό ψύξης : 3–4°C/δευτερόλεπτο για προώθηση λεπτόκοκκων, μηχανικά ανθεκτικών στρωμάτων IMC (<4 μm πάχος)

Τα κενά που υπερβαίνουν το 25% της επιφάνειας της σύνδεσης μειώνουν τη διάρκεια ζωής σε θερμική κόπωση κατά 50%. Η αναρρόφηση με υποβοήθηση αζώτου καταπολεμά την οξείδωση και μειώνει το σχηματισμό κενών σε <5%—σημαντικό πλεονέκτημα για εφαρμογές σε υγρά περιβάλλοντα σε εξωτερικούς χώρους.

Συμμόρφωση με IPC και πρότυπα οπτικής επιθεώρησης για την αξιοπιστία των συγκολλήσεων

Κριτήρια αποδοχής IPC-A-610 Κλάσης 2 για πλακέτες φωτιστικών ηλιακού LED για τοπίο

Οι πλακέτες φωτιστικών ηλιακού LED για τοπίο απαιτούν συμμόρφωση με το πρότυπο IPC-A-610 Κλάσης 2 — το βιομηχανικό πρότυπο για ηλεκτρονικές μονάδες που προορίζονται για επεκτατή χρήση σε μη κρίσιμα, αλλά απαιτητικά περιβάλλοντα, όπως ο εξωτερικός φωτισμός. Βασικές απαιτήσεις για τις συγκολλήσεις περιλαμβάνουν:

• Ελάχιστη κάλυψη 75% της στέψης στην πλευρά τακανιού για LEDs επιφανειακής τοποθέτησης
• Μηδενικές ορατές ρωγμές στις διαμπερείς συνδέσεις μετά από θερμικούς κύκλους
• Μέγιστη ποσότητα κενών 25% στις συγκολλήσεις

Η αυτόματη οπτική επιθεώρηση (AOI) επικυρώνει αυτές τις παραμέτρους σύμφωνα με καθορισμένα όρια πέρασμα/απόρριψη, διασφαλίζοντας ότι οι συγκολλήσεις αντέχουν σε θερμικούς κύκλους τύπου κήπου (−40°C έως +85°C). Οι μη συμμορφούμενες ρωγμές ή η ανεπαρκής βρέξη πρέπει να επανεργοποιηθούν πριν τη στεγανή ενσωμάτωση, προκειμένου να αποφευχθεί η βλάβη λόγω υγρασίας.

Οδηγίες του παραρτήματος B του IPC-J-STD-001G για τη βρέξη παδιών ENIG και τη γεωμετρία στέψης

Όσον αφορά τα επιχρυσώματα Χημικής Νικελώσεως και Εμβάπτισης Χρυσού (ENIG), που χρησιμοποιούνται συχνά σε πλακέτες κυκλωμάτων για εφαρμογές φωτισμού με ηλιακή ενέργεια, το παράρτημα B του προτύπου IPC-J-STD-001G καθορίζει συγκεκριμένες απαιτήσεις βρεχόμενων επιφανειών που πρέπει να ακολουθούν οι κατασκευαστές. Η εξασφάλιση σωστής γεωμετρίας στερέωσης σημαίνει ότι το στερεώμα πρέπει να έρχεται σε επαφή υπό γωνίες μικρότερες των 90 μοιρών και να δημιουργεί ένα ομοιόμορφο ενδομεταλλικό στρώμα εκεί όπου το χαλκός συναντά το στερεώμα. Σύμφωνα με τα πρότυπα του παραρτήματος B, τουλάχιστον το 95% των παδιών πρέπει να καλύπτεται εντός μόλις πέντε δευτερολέπτων κατά τη διάρκεια της αναρροφητικής συγκόλλησης όταν χρησιμοποιούνται κράματα SAC305. Αυτό βοηθά στην αποφυγή προβλημάτων αποβρεχόμενων επιφανειών, τα οποία μπορούν να επιδεινώσουν την ικανότητα της πλακέτας να αντιστέκεται στη ζημιά από υγρασία με την πάροδο του χρόνου. Για τα θερμικά προφίλ, είναι απαραίτητη η διατήρηση της μέγιστης θερμοκρασίας σε ενδιάμεσο εύρος μεταξύ 235 και 245 βαθμών Κελσίου. Αυτό το εύρος επιτρέπει την επίτευξη κατάλληλων χαρακτηριστικών βρεχόμενης επιφάνειας, ενώ ταυτόχρονα διατηρεί χαμηλούς τους κινδύνους εύθραυστου χρυσού, με αποτέλεσμα την αποφυγή της δημιουργίας δενδριτών και την πρόληψη προβλημάτων διάβρωσης, ειδικά όταν οι πλακέτες βρεθούν σε υγρά περιβάλλοντα.

Στρατηγικές Προστασίας του Περιβάλλοντος έναντι Βλαβών λόγω Υγρασίας

Η εισχώρηση νερού στις συνδέσεις παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα που προκαλούν βλάβες στις συγκολλήσεις των πλακετών PCB των φωτιστικών κήπου με ηλιακή ενέργεια. Αυτό οδηγεί σε ταχύτερη δημιουργία σκουριάς και σε πιο πρόωρες ηλεκτρικές βλάβες όταν αυτά τα φώτα εκτίθενται στα στοιχεία. Η καλύτερη άμυνα ξεκινά με την εφαρμογή προστατευτικών επικαλύψεων, οι οποίες συνήθως κατασκευάζονται από ακρυλικά ή υλικά πυριτίου, σύμφωνα με βιομηχανικές οδηγίες όπως η IPC-CC-830B. Αυτά τα προστατευτικά στρώματα δημιουργούν ισχυρά εμπόδια έναντι της υγρασίας και αντέχουν επίσης καλά στην έκθεση στο φως του ήλιου, κάτι που έχει μεγάλη σημασία για να λειτουργούν αξιόπιστα αυτά τα φώτα στους κήπους με την πάροδο του χρόνου. Είναι επίσης πολύ σημαντικό να εξασφαλιστεί η σωστή ταύτιση των συντελεστών διαστολής μεταξύ του υλικού της πλακέτας και της επίστρωσης. Όταν οι θερμοκρασίες μεταβάλλονται από -40 βαθμούς Κελσίου έως +85, υλικά με διαφορετικούς συντελεστές δεν συγκρατούνται σωστά και αρχίζουν να αποκολλώνται.

Για εφαρμογές υψηλού κινδύνου, η προστασία με πολλαπλά στρώματα περιλαμβάνει:

• Ενσωμάτωση οδηγών και συνδέσεων μπαταρίας με εποξειδική ή πολυουρεθάνη ρητίνη
• Εφαρμογή υδροφοβικών νανο-επιστρώσεων απευθείας σε συγκολλήσεις για αποτροπή διείσδυσης νερού
• Ενσωμάτωση αποχετευτικών αυλών σε περιβλήματα για πρόληψη συσσώρευσης νερού

Κάθε συναρμολόγηση πρέπει να υποστού ρητρής περιβαλλοντικούς ελέγχους πριν από την έκδοση της. Το τυποποιημένο τεστ περιλαμβάνει τη λειτουργία εξαρτημάτων για περισσότερο από 500 ώρες σε σχετική υγρασία 85 τοις εκατό και θερμοκρασία 85 βαθμών Κελσίου, σύμφωνα με τα πρότυπα IEC 60068-2-78. Αυτό βοηθά να επαληθεύσει αν οι συγκολλήσεις θα αντέξουν σε πραγματικές συνθήκες. Όταν δεν ελέγχεται σωστά η υγρασία, οι ρυθμοί αποτυχίας μπορούν να αυξηθούν έως και τρεις φορές περισσότερο κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων κύκλων υγρασίας και ξηρασίας. Η σωστή εφαρμογή ξεκινά νωρίς στη φάση του σχεδιασμού. Οι μηχανικοί πρέπει να εστιάσουν στη μείωση των μικρών κενών γύρω από τα σημεία συγκόλλησης όπου ξεκινούν τα προβλήματα. Πρέπει να διατηρήσουν επαρκή απόσταση μεταξύ αγωγών για να αποτρέψουν ανεπιθύμητες χημικές αντιδράσεις. Η εύρεση της σωστής ισορροπίας μεταξύ πάχους προστατευτικής επικάλυψης και διαχείρισης θερμότητας είναι δύσκολο έργο. Πολύ παχιές σφραγίδες εγκλωβίζουν τη θερμότητα εντός, γεγονός που στην πραγματικότητα επιταχύνει την ανάπτυξη ενδιάμεσων μεταλλικών ενώσεων σε κράματα SAC305 με την πάροδη του χρόνου.

Τμήμα Γενικών Ερωτήσεων

Τι προκαλεί τα προβλήματα της θερμικής κυκλοφορίας στα φωτιστικά τοπίου LED ηλιακής ενέργειας;

Οι προκλήσεις από τη θερμική κυκλοφορία οφείλονται κυρίως στην αναντιστοιχία των ρυθμών θερμικής διαστολής μεταξύ των LED, των υποστρωμάτων FR-4 και του συγκολλητικού SAC305, γεγονός που προκαλεί μηχανική τάση και ρωγμές στις συγκολλήσεις κατά τις αλλαγές θερμοκρασίας.

Πώς λειτουργεί η επιταχυνόμενη δοκιμή θερμικής κυκλοφορίας;

Οι δοκιμές επιταχυνόμενης θερμικής κυκλοφορίας προσομοιώνουν δεκαετίες θερμικής καταπόνησης σε σύντομο χρονικό διάστημα, αποκαλύπτοντας την εξέλιξη της βλάβης μέσω κύκλων και προβλέποντας την απόδοση σε πραγματικές συνθήκες.

Γιατί επιδεινώνονται οι συγκολλήσεις χωρίς μόλυβδο σε εξωτερικά περιβάλλοντα;

Οι συγκολλήσεις χωρίς μόλυβδο επιδεινώνονται λόγω της έκθεσης στην υπεριώδη ακτινοβολία και την υψηλή υγρασία, γεγονός που προκαλεί την κατάτμηση πλαστικών εξαρτημάτων και χημικές αντιδράσεις που οδηγούν σε διάβρωση και ηλεκτρικές βλάβες.

Πώς μπορεί να αποτραπεί η βλάβη από την υγρασία στις συγκολλήσεις;

Η βλάβη από την υγρασία μπορεί να αποτραπεί μέσω προστατευτικών επικαλύψεων, υδροφοβικών νανο-επικαλύψεων και κατάλληλων στρατηγικών σχεδιασμού για εξασφάλιση προστασίας από το περιβάλλον.