परिचय
नई ऊर्जा वाहन इनवर्टर, ऑन-बोर्ड चार्जर (ओबीसी), और फोटोवोल्टिक ऊर्जा भंडारण इनवर्टर जैसे चरम अनुप्रयोग परिदृश्य पीसीबीए विनिर्माण की विश्वसनीयता को नई भौतिक सीमाओं तक पहुंचाते हैं। उच्च शक्ति पर संचालन करते समय, इन उत्पादों का जंक्शन तापमान अक्सर लंबे समय तक 125 डिग्री से 150 डिग्री के उच्च तापमान रेंज के भीतर रहता है। निरंतर थर्मल और यांत्रिक तनाव के संयुक्त प्रभाव के तहत, सीसा मुक्त सोल्डर मिश्र धातु धीमी और स्थायी प्लास्टिक विरूपण से गुजरती है जिसे "रेंगना" कहा जाता है। एक बार जब रेंगना एक निश्चित सीमा तक जमा हो जाता है, तो इससे सोल्डर जोड़ों में सूक्ष्म दरारें बन जाती हैं, जिससे अंततः थकान विफलता हो जाती है। सोल्डर मिश्र धातुओं के रेंगने के तंत्र का विश्लेषण करना और पीसीबीए निर्माण के दौरान सटीक प्रक्रिया हस्तक्षेप को लागू करना नई ऊर्जा इलेक्ट्रॉनिक्स के दीर्घकालिक विश्वसनीय संचालन को सुनिश्चित करने के लिए मौलिक है।
सोल्डर क्रीप का तंत्र: उच्च तापमान तनाव के तहत धातुओं में अनाज सीमा पर्ची
सीसा मुक्त सोल्डर मिश्र धातु (जैसे कि आमतौर पर इस्तेमाल होने वाली SAC305, एक टिन {{2} चांदी - तांबा मिश्र धातु जिसमें 3.0% चांदी और 0.5% तांबा होता है) का गलनांक लगभग 217 डिग्री होता है। सामग्री यांत्रिकी के सिद्धांतों के अनुसार, जब किसी धातु का ऑपरेटिंग तापमान उसके पूर्ण पिघलने बिंदु (केल्विन में मापा जाता है) के 50% से अधिक हो जाता है, तो रेंगना प्रभाव काफी सक्रिय हो जाता है। 125 डिग्री (लगभग 398 K) पर, SAC305 सोल्डर का समजात तापमान 0.81 तक पहुँच जाता है, जो 0.5 की रेंगने की सीमा से कहीं अधिक है। इसका मतलब यह है कि बहुत कम तनाव के तहत भी, जैसे कि पीसीबी और चिप के बीच थर्मल विस्तार (सीटीई) के बेमेल गुणांक के कारण होने वाला कतरनी तनाव, सोल्डर जोड़ के भीतर टिन मैट्रिक्स धातु के दाने धीमी पारस्परिक पर्ची और अनाज की सीमाओं के साथ परमाणु प्रसार से गुजरेंगे। लंबे समय तक उच्च तापमान की सेवा से सोल्डर जोड़ों के भीतर दाने मोटे हो जाते हैं, साथ ही दाने की सीमाओं पर सूक्ष्म रिक्तियां जमा हो जाती हैं और स्थूल दरारों में विकसित हो जाती हैं। यह नई ऊर्जा पीसीबीए असेंबलियों में खराब विद्युत संपर्क या रुक-रुक कर खुले सर्किट का बुनियादी तकनीकी कारण है।
ट्रेस एलिमेंट डोपिंग के माध्यम से मिश्र धातु संशोधन: अनाज सीमा पिनिंग प्रभाव को बढ़ाना
चूंकि पारंपरिक सीसा मुक्त सोल्डर लंबे समय तक उच्च तापमान के तहत क्रीप क्षति का विरोध करने के लिए संघर्ष करते हैं, बेहतर क्रीप प्रतिरोध के साथ नई मिश्र धातु सामग्री को अपनाना वर्तमान पीसीबीए विनिर्माण में इस चुनौती को संबोधित करने की मुख्य रणनीति है। नई ऊर्जा अनुप्रयोगों के लिए कोर बोर्ड के उत्पादन में धीरे-धीरे ट्रेस तत्वों (जैसे बिस्मथ (बीआई), एंटीमनी (एसबी), निकल (नी), और कोबाल्ट (सीओ)) के साथ उच्च विश्वसनीयता वाले सोल्डर को शामिल किया जा रहा है, जिसमें इनोलॉट मिश्र धातु एक विशिष्ट उदाहरण के रूप में काम कर रही है। इन ट्रेस तत्वों को टिन मैट्रिक्स में शामिल करके, धातु के भीतर एक अच्छा और समान रूप से वितरित दूसरा चरण फैलाव चरण बनता है। जब सोल्डर जोड़ों पर रेंगना होता है, तो ये कठोर कण अनाज की सीमाओं पर "पिनिंग प्रभाव" के रूप में कार्य करते हैं, जो प्रभावी रूप से धातु के अनाज के खिसकने और सूक्ष्म {{6}डिस्लोकेशन मूवमेंट को रोकते हैं। प्रायोगिक आंकड़ों से पता चलता है कि 150 डिग्री पर थर्मल एजिंग परीक्षणों में, इनोलॉट मिश्र धातुओं की तन्यता ताकत और उच्च तापमान रेंगना जीवन मानक SAC305 की तुलना में दोगुने से अधिक है, जो नई ऊर्जा इनवर्टर के मेनबोर्ड के लिए एक मजबूत माइक्रोस्ट्रक्चरल बाधा प्रदान करता है।
इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में एक लेप लगाकर टाँका लगानाशीतलन दर नियंत्रण: प्रारंभिक अनाज के आकार को अनुकूलित करना
सोल्डर की संरचना के अलावा, पीसीबीए निर्माण प्रक्रिया के दौरान थर्मोडायनामिक नियंत्रण सीधे प्रारंभिक माइक्रोस्ट्रक्चर की रेंगने का विरोध करने की क्षमता निर्धारित करता है। रिफ्लो सोल्डरिंग प्रक्रिया में शीतलन दर एक प्रमुख नियंत्रण पैरामीटर है। तकनीशियनों को शीतलन चरण के दौरान 3.5 डिग्री और 5.5 डिग्री प्रति सेकंड के बीच शीतलन दर को सख्ती से नियंत्रित करना चाहिए। तेजी से ठंडा होने से पिघली हुई धातु तेजी से जम जाती है, जिसके परिणामस्वरूप एक महीन, सघन और समान रूप से वितरित यूटेक्टिक माइक्रोस्ट्रक्चर बनता है जो मोटे एकल क्रिस्टल के निर्माण को दबा देता है। चूँकि महीन कणों वाली सूक्ष्म संरचनाओं में अनाज की सीमाएँ अधिक होती हैं, वे कमरे के तापमान पर बेहतर यांत्रिक शक्ति प्रदान करते हैं; इसके अलावा, उच्च तापमान रेंगने के प्रारंभिक चरण के दौरान, घनी सूक्ष्म संरचना न्यूक्लियेशन और रिक्तियों के विस्तार में देरी करती है। यदि शीतलन दर बहुत धीमी है (उदाहरण के लिए, 2.0 डिग्री प्रति सेकंड से कम), तो मोटे Ag₃Sn सुई जैसे यौगिक सोल्डर जोड़ों के भीतर अवक्षेपित हो जाएंगे। बाद की लंबी अवधि की उच्च तापमान वाली सेवा के दौरान, इन मोटे कणों के आसपास के क्षेत्रों में तनाव एकाग्रता बिंदु बनने की अत्यधिक संभावना होती है और यह रेंगने वाली दरार को प्रेरित करने वाला पहला क्षेत्र होगा।
अंडरफिल इलाज: बाहरी तनाव स्थानांतरण और फैलाव
सोल्डर क्षेत्र में बाहरी तनाव वितरण को पुनर्गठित करके, सोल्डर मिश्र धातु द्वारा वहन किए गए रेंगने वाले भार को प्रभावी ढंग से कम करना और पीसीबीए की समग्र सेवा जीवन का विस्तार करना संभव है। नए ऊर्जा वाहन मदरबोर्ड (जैसे कि आईजीबीटी मॉड्यूल और बड़े आकार के बीजीए) पर उच्च धारा ले जाने वाले उच्च तापमान, बड़े आकार के पैक किए गए उपकरणों के लिए, निर्माता आम तौर पर एक अंडरफिल प्रक्रिया को शामिल करते हैं।पुन: प्रवाहितओवनटांकने की क्रिया. उच्च{{1}सटीक वितरण मशीनों, उच्च{{2}मॉड्यूलस, निम्न{3}सीटीई एपॉक्सी राल का उपयोग करके चिप के नीचे इंजेक्ट किया जाता है। केशिका क्रिया के माध्यम से, यह घटक और पीसीबी के बीच के अंतराल को भरता है और थर्मल इलाज से गुजरता है। ठीक की गई राल परत चिप को बोर्ड से कसकर जोड़ती है, जिससे एक कठोर, एकीकृत इकाई बनती है। जब तापमान में वृद्धि सीटीई बेमेल का कारण बनती है, तो अधिकांश कतरनी तनाव बाहरी राल मैट्रिक्स द्वारा अवशोषित और फैलाया जाता है, जिससे सोल्डर पेस्ट जोड़ों पर लागू भौतिक भार काफी कम हो जाता है। यह संरचनात्मक स्तर पर सोल्डर मिश्र धातु के लिए थर्मल क्रीप चरण की शुरुआत में देरी करता है।
सोल्डर मिश्र धातुओं से जुड़ी रेंगने की चुनौतियों पर काबू पाने के लिए एक व्यापक, बहु-आयामी दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है जिसमें धातुकर्म चयन, ओवन तापमान नियंत्रण और संरचनात्मक सुदृढीकरण शामिल होता है।
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