Einführung
Während des Betriebs sind die Bordsteuerplatinen von Schienenverkehrsfahrzeugen ständigen nieder{0}}Vibrationen und plötzlichen hohen{1}Beschleunigungsstößen ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen hoher -Vibration besteht die größte Gefahr bei der PCBA-Herstellung im Sprödbruch der Lötverbindungen. Diese Art von Bruch tritt typischerweise an der Schnittstelle der intermetallischen Verbindung (IMC) zwischen bleifreien Lötstellen und Leiterplattenpads auf. Sie zeichnet sich durch einen plötzlichen Beginn ohne Vorwarnung aus und kann leicht zu Signalunterbrechungen oder Steuerungsausfällen in Zügen führen. Um die Vibrationsermüdungslebensdauer von Mainboards für den Schienenverkehr zu verbessern, besteht die grundlegende Lösung darin, die Zusammensetzung der Lotlegierung aus mikrometallurgischer Sicht zu optimieren.
Mechanismus des Sprödbruchs unter Vibrationsbeanspruchung: Spannungskonzentration in der IMC-Schicht
Während derReflow-LötenIn der Phase der PCBA-Herstellung reagiert das Zinn in herkömmlichem blei{0}freiem Lot mit dem Kupfer auf der PCB-Oberfläche und bildet zwangsläufig eine Schicht intermetallischer Verbindungen (IMC). Obwohl diese eutektische Struktur als Bindung für eine starke mechanische Verbindung dient, ist es von Natur aus ein sprödes Material. Während der Lebensdauer von Schienenverkehrsmitteln wirken ständig komplexe mechanische Wechselbeanspruchungen auf die Bauteile und den Untergrund ein. Aufgrund erheblicher Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) und Elastizitätsmodulen zwischen dem PCB-Substrat (FR-4) und Keramikkomponenten oder Siliziumchips konzentrieren sich die durch Vibrationen erzeugten mechanischen Verformungsspannungen stark an der nur wenige Mikrometer dicken IMC-Schnittstelle. Wenn die akkumulierte Scherspannung die Bindungsfestigkeit an den Korngrenzen überschreitet, entstehen schnell Risse und breiten sich seitlich innerhalb des IMC oder an seiner Schnittstelle zum Kupferpad aus, was zu einer sofortigen spröden Delaminierung der Lötverbindung führt.
Hinzufügen von Spuren von Wismut und Antimon: Stärkung der Zinnmatrix und Verfeinerung der Kornstruktur
Um hochintensiven mechanischen Vibrationen entgegenzuwirken, sind die Verbesserung der Mikrostruktur der Lotlegierung und die Verlangsamung der Rissausbreitungsgeschwindigkeit die Hauptziele bei der Optimierung der Legierungszusammensetzung. Bei der oberflächenmontierten Herstellung von Hochleistungs-Mainboards für den Schienenverkehr werden mittlerweile häufig neue hoch{4}zuverlässige Legierungen- verwendet, die auf traditionellem Zinn-Silber-Kupfer (SAC) basieren, aber mit Spuren von Wismut (Bi) und Stibium (Sb) -dotiert sind. Der Einbau von Wismut ermöglicht eine Festigung der festen Lösung, wodurch die Streckgrenze der Lotmatrix selbst deutlich erhöht wird. Unterdessen verlangsamt die Zugabe von Antimon die Geschwindigkeit der Kornvergröberung unter hohen-Temperatur- und Belastungsbedingungen und sorgt so für eine feinkörnige Mikrostruktur. Feinere Körner führen zu einer erheblichen Erhöhung der Anzahl der Korngrenzen. Wenn sich Vibrationsschockwellen in der Lötverbindung ausbreiten, zerstreuen und absorbieren diese zahlreichen Korngrenzen effektiv Energie, wodurch Mikrorisse gezwungen werden, ihre Ausbreitungsrichtung kontinuierlich zu ändern und ihren Weg bis zum Eindringen zu verlängern, wodurch die dynamische Ermüdungslebensdauer der Lötverbindung um mehr als das 1,5-fache verlängert wird.
Synergistischer Effekt von Spurenmengen an Nickel und Kobalt: Modifizierung der IMC-Morphologie und -Dicke
Während die Festigkeit der kristallinen Matrix kontrolliert wird, ist es wichtig, die Mikrostruktur der IMC-Schicht -direkt an der Stelle, an der Sprödbrüche auftreten, zu „verdünnen“ und zu modifizieren. Durch das Einbringen von Spurenmengen von Nickel (Ni) und Kobalt (Co)-ungefähr 0,05 %-in die Lotpastenlegierung kann die Wachstumskinetik intermetallischer Grenzflächenverbindungen während des Reflow-Prozesses erheblich verändert werden. Nickel kann einen Teil des Kupfers verdrängen und die ursprünglich grobe, fächerförmige und ungleich dicke eutektische Schicht in eine glattere, dichtere und gleichmäßig dicke Verbundkristallstruktur umwandeln. Kobalt hingegen unterdrückt wirksam das unkontrollierte Wachstum einer spröden Schicht schlechter Qualität, die durch Sekundärdiffusion verursacht wird, die durch Temperaturanstiege während des anschließenden Langzeitbetriebs der PCBA ausgelöst wird. Eine strikte Kontrolle der Gesamtdicke der IMC-Schicht innerhalb eines optimalen Bereichs kann die Spannungskonzentration an der Grenzfläche erheblich reduzieren und die Bedingungen beseitigen, die einen Sprödbruch begünstigen.
Kombiniert mit Oberflächenbehandlungstechnologie: Schaffung einer metallurgischen Schnittstelle, die Steifigkeit und Flexibilität in Einklang bringt
Um eine optimale Vibrationsfestigkeit zu erreichen, müssen die Vorteile der Lotzusammensetzung sowohl physikalisch als auch chemisch perfekt auf die Oberflächenbeschaffenheit der Leiterplattenpads abgestimmt sein. Für Schienentransport-Motherboards mit hoher -Vibration werden galvanisch vernickelte -Goldoberflächen (ENIG)-, die leicht zu Black-Pad-Phänomenen und sprödem Bruch von phosphorreichen Schichten- führen können, im Allgemeinen nicht empfohlen. Stattdessen werden organisches Lotkonservierungsmittel (OSP) oder Immersionssilber in Elektronikqualität (Im-Ag) bevorzugt. Durch die OSP-Oberflächenbehandlung kommt das formulierte Hochleistungslot in direkten Kontakt mit blankem Kupfer und bildet dabei eine eutektische Schicht aus reinem Kupfer-ZinnReflow-Lötenund Verhinderung von Gitterverzerrungen an der Grenzfläche, die durch die Einführung von Fremdmetallatomen Dritter verursacht werden. Unter dieser metallurgischen Schnittstelle wird in Kombination mit einer angemessenen Dicke der konformen Beschichtung oder einer lokalisierten Unterfüllung ein Abwehrmechanismus gebildet, der Steifigkeit und Flexibilität in Einklang bringt,-bei dem die äußere Struktur Spannungen abbaut und die innere Mikrostruktur Energie absorbiert-wodurch die Möglichkeit eines Sprödbruchs vollständig ausgeschlossen wird.
Die Überwindung des Problems des Sprödbruchs von Lötverbindungen unter Bedingungen hoher -Vibration erfordert einen umfassenden technischen Ansatz, der von der Feinabstimmung der mikrostrukturellen metallurgischen Zusammensetzung bis zur Optimierung makroskopischer Prozessparameter reicht.
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