Miten varmistetaan juotoksien luotettavuus aurinko-LED-maamerkkivalojen piireissä?

Lämpötilanvaihtelun aiheuttamat haasteet ja materiaalien yhteensopivuus

Lämpölaajenemisen epäjohdonmukaisuus LEDien, FR-4-alustojen ja SAC305-hiotin välillä

Materiaalien yhteensopivuus on erittäin tärkeää, kun valmistetaan luotettavia juotelioitä aurinkoenergialla toimivien LED-ulkovalojen piireihin. Tarkastellaan lukuja: LED:t laajenevat noin 6–8 miljoonasosaa celsiusasteella, kun taas FR-4-alustat laajenevat noin 14–17 ppm/°C. Yleisesti käytetty SAC305-juotemateriaali laajenee vielä enemmän, noin 22 ppm/°C. Nämä erot aiheuttavat todellisia ongelmia lämpötilan vaihdellessa. Mitä tapahtuu? Mekaaninen jännitys kertyy komponenttien liitoskohdissa. Ajan myötä tästä seuraa pieniä halkeamia juotelioihin itseensä. Teollisuuden kenttäraportit osoittavatkin, että noin kaksi kolmasosaa varhaisista vioista ulkoilman aurinkovalaisjärjestelmissä johtuu juuri näistä lämpölaajenemisongelmista. Siksi fiksu valmistaja kiinnittää huomiota materiaalien huolelliseen yhdistämiseen. Kun tämä onnistuu, jännityspisteet vähenevät merkittävästi, ja tuotteiden kestoikä pitenee huomattavasti kaikkien ulkona esiintyvien kuumien ja kylmien vaiheiden aikana.

Kiihdytetty lämpötilan vaihtelu (−40 °C:sta +85 °C:een, yli 1000 sykliä) luotettavuuden ennustajana

Kiihdytetyt lämpötilanvaihtelutestit simuloidaan vuosikymmeniä kestävää kausivaihtelusta muutamassa viikossa. PCB-levyjen altistaminen yli 1000 syklille lämpötilojen −40 °C ja +85 °C välillä paljastaa vian etenemisen, jolla on vahva korrelaatio todelliseen suorituskykyyn:

• Aikaiset vaiheet (syklit 1–300) : Intermetallisten yhdisteiden (IMC) kerroksen paksuuntuminen
• Keskiaste (syklit 301–700) : Mikrokuplien yhdistyminen ja halkeamien alkaminen
• Loppuvaihe (700+ sykliä) : Kiinnitysliitosten murtumat ja sähköinen katkos

Tämä menetelmä ennustaa kenttäluotettavuutta 92 %:n tarkkuudella, kun se yhdenmukaistetaan alueellisten ilmastoprofiilien kanssa. Valmistajat, jotka käyttävät validoituja lämpötilanvaihtelutestejä, raportoivat 40 % vähemmän takuukorvauksia lämpötilaltaan vaihtelevilla alueilla.

Lyijyttömän juotosprosessin optimointi ulkokäytön kestävyyttä varten

Aurinkoenergialla toimivat LED-maamerkkivalot joutuvat kovien ympäristövaikutusten armoille – UV-säteily, kosteuden vaihtelut ja laajat lämpötilavaihtelut – mikä edellyttää kestäviä juotelihdoja. Vianmekanismien ymmärtäminen ja valmistusprosessien optimointi ovat olennaisia pitkän käyttöiän saavuttamiseksi.

UV-/kosteusheikkenemismekanismit SnAgCu-seoksissa aurinkoenergialla toimivien LED-maamerkkivalojen piireissä

SnAgCu- tai SAC-tyyppinen lyijyttömämpi juotesulake täyttää ympäristöstandardit, mutta se on altis hajoamiselle, kun sitä pidetään ulkona pidempään aikaan. Auringonvalo itse asiassa kiihdyttää piirilevyjen muoviosien haurastumista, mikä heikentää ajan myötä juotteen ja levyn välistä yhteyttä. Samanaikaisesti kosteus pääsee näihin liitoksiin ja aiheuttaa kemiallisia reaktioita, jotka luovat pinnalle pieniä johtavia reittejä, joita ei niissä pitäisi olla, mikä voi johtaa vaarallisiin oikosuluihin. Kun kohteeseen kohdistuu toistuvia korkean kosteuden jaksoja noin 85 prosentin suhteellisessa kosteudessa ja noin 85 asteessa Celsius-asteikolla, SAC305-juoteliitosten korroosionopeus nousee noin neljäkymmentä prosenttia verrattuna tavallisiin laboratorio-olosuhteisiin. Tämä yhdistetty vaikutus tarkoittaa, että valmistajien on otettava huomioon ongelmien ratkaiseminen monesta eri suunnasta, ja mietittävä sekä käytettyjä materiaaleja että tuotteiden suunnittelua.

Reflow-profiilin säätö tyhjien ja väliseosten (IMC) vaihtelun minimoimiseksi

Tarkka lämpöhallinta reflow-johtossa hallitsee liitoksen eheyttä. Kriittiset parametrit ovat:

• Lämmittämisnopeus : ≤2°C/sekunti välttääkseen komponenttien lämpöshokin ja padin kerrostumisen
• Huippulämpötila : 240–245°C SAC305:lle—taatakseen täyden seoksen sulamisen ilman, että herkkiä lämpöä LED:itä vaurioitetaan
• Aika nesteen yläpuolella (TAL) : 60–90 sekuntia rajoittaakseen liiallista IMC-kasvua
• Jäähdytysnopeus : 3–4°C/sekunti edistämään hienorakenteista, mekaanisesti kestävää IMC-kerrosta (<4 μm paksuus)

Tyhjät, jotka ylittävät 25 % liitoksen pinta-alasta, vähentävät lämpöväsymisen kestoa 50 %. Typpin avustama reflow-johto estää hapettumista ja alentaa tyhjien muodostumista alle 5 %—tärkeä etuus kostealle ulko-olosuhteille.

IPC-yhteensopivuus ja visuaalisen tarkastuksen standardit juotiliitoksen luotettavuudelle

IPC-A-610 Luokan 2 hyväksymiskriteerit aurinkovoima-alkuperävalot, LED-maapinta-alavalot, PCB-valot

Aurinko LED-maaseutuvalot PCB-tuotteet edellyttävät IPC-A-610 luokan 2 vaatimustenmukaisuutta, joka on alan standardi, joka koskee laajennettua käyttöä ei-kriittisissä, mutta vaativissa ympäristöissä, kuten ulkovalaisimissa, tarkoitettuja elektroniikkayhdistelmiä. Tärkeimmät liutausliitän vaatimukset ovat seuraavat:

• Pinta-asennettujen LED-valotasojen peittofilletin vähintään 75 prosentin kattavuus
• Näkyvät halkeamat ovat nolla läpireikäsuhteissa lämpökiertokulun jälkeen
• Suodatinliitteissä enintään 25% tyhjiötä

Automaattinen optinen tarkastus (AOI) vahvistaa nämä parametrit dokumentoitujen hyväksymis-/epäsuoritusrajojen perusteella, varmistaen, että liitokset kestävät puutarhanlaatuisen lämpökiertoa (-40 °C: sta + 85 °C: iin). Muita kuin vaatimustenmukaisia murtumia tai riittämätöntä kosteutta on käsiteltävä uudelleen ennen sääsuojausta, jotta voidaan estää kosteuden aiheuttama rikkoutuminen.

IPC-J-STD-001G Liite B: ENIG-ohjeet pad-voitelusta ja fileen geometriaa varten

Kun on kyse elektrolyysittömästä nikkelimmersiokultasta (ENIG), jota käytetään yleisesti aurinkovalojen piirilevyillä, IPC-J-STD-001G liitteen B määrittää tarkat kosteutusvaatimukset, joita valmistajien on noudatettava. Hyvän juotekulman saavuttaminen tarkoittaa, että juote koskettaa kulmassa alle 90 astetta ja muodostaa tasaisen väliseoksikerroksen, jossa kupari kohtaa juotteen. Liitteen B standardien mukaan vähintään 95 % padoista tulisi olla peitetty jo viiden sekunnin kuluessa juottamisen aikana käytettäessä SAC305-seoksia. Tämä auttaa välttämään kosteudenpuutteen (dewetting), joka voi heikentää levyn kykyä kestää kosteusvaurioita pitkällä aikavälillä. Lämpöprofiilien osalta huippulämpötilan ylläpitäminen noin 235–245 asteen Celsiusasteiden välillä on olennaisen tärkeää. Tämä lämpötilaalue mahdollistaa riittävät kosteutusominaisuudet samalla kun kultahaurastumisen riski pysyy alhaisena, mikä puolestaan estää ärsyttävien haarautuvien rakenteiden (dendriittien) kasvun sekä estää korroosion esiintymisen, erityisesti silloin kun levyt päätyvät kosteisiin ympäristöihin.

Ympäristönsuojelustrategiat kosteusvaurioiden ehkäisemiseksi

Veden pääsy liitoksiin on edelleen yksi suurimmista ongelmista, jotka aiheuttavat vaurioita kytkentäpisteisiin näissä aurinkoenergialla toimivissa puutarhavalaisimien piireissä. Tämä johtaa ruosteen nopeampaan muodostumiseen ja sähköisiin vikoihin, kun valaisimet ovat alttiina ulkoisille tekijöille. Paras suoja alkaa konformikuoitten käytöstä, jotka on yleensä valmistettu akryyli- tai silikoniaineista, ja noudattamalla teollisuuden ohjeita kuten IPC-CC-830B. Nämä suojakerrokset muodostavat tehokkaat esteet kosteudelle ja kestävät myös hyvin auringonvaloa, mikä on erittäin tärkeää, jos näiden valaisimien tulee toimia luotettavasti puutarhoissa pitkän aikaa. Laatan ja pinnoitteen lämpölaajenemiskertoimien yhteensopivuus on myös erittäin tärkeää. Kun lämpötila vaihtelee miinus 40 asteesta plus 85 asteeseen, sopimattomat materiaalit eivät kestä ja alkavat irtoilla.

Korkean riskin sovelluksissa monitasoinen suojaus sisältää:

• Akun liitosten ja ohjauspiirien valaminen epoksi- tai polyuretaanihartsilla
• Veden hylkivien nanokalvojen käyttö suoraan juotoksille vesittymisen estämiseksi
• Koteloihin integroidut valumakanavat vedentyhjennyksen varmistamiseksi

Jokainen kokoonpano täytyy viedä tiukkojen ympäristötestien läpi ennen vapauttamista. Standarditestissä komponentteja ajetaan yli 500 tuntia 85 prosentin ilmankosteudessa ja 85 asteen lämpötilassa IEC 60068-2-78 -standardin mukaisesti. Tämä auttaa varmistamaan, pysyvätkö juotoksia realistisissa olosuhteissa. Kun kosteutta ei hallita asianmukaisesti, vikaantumisprosentti voi nousta jopa kolminkertaiseksi toistuvissa kosteissa ja kuivissa olosuhteissa. Oikea toteutus alkaa jo suunnitteluvaiheessa. Insinöörien tulisi keskittyä vähentämään niitä pieniä aukoja juotospadien ympärillä, joissa ongelmia alkaa. Heidän täytyy sijoittaa johtimia tarpeeksi kauas toisistaan estääkseen epätoivottuja kemiallisia reaktioita. Suojapeitteen paksuuden ja lämmönhajotuksen välillä on vaikea löytää oikea tasapaino. Liian paksu sinetti saattaa pidättää lämpöä sisällä, mikä puolestaan nopeuttaa intermetallisten yhdisteiden kasvua SAC305-seoksissa ajan myötä.

UKK-osio

Mitä aiheuttaa lämpötilan vaihteluihin liittyviä haasteita aurinkopaneeleilla varustetuissa LED-maamerkkivaloissa?

Lämpötilan vaihteluihin liittyvät haasteet johtuvat pääasiassa LEDien, FR-4-alustojen ja SAC305-juotosmetallin lämpölaajenemisnopeuksien epäjohdonmukaisuudesta, mikä aiheuttaa mekaanista jännitystä ja halkeamia juotoksissa lämpötilan muuttuessa.

Kuinka kiihdytetty lämpötilan vaihtelutesti toimii?

Kiihdytetyt lämpötilan vaihtelutestit simuloidaan vuosikymmeniä kestävää lämpöstressiä lyhyessä ajassa, paljastaen vaurioitumisen etenemisen syklien kautta ja ennustavat käytännön suorituskykyä.

Miksi lyijyttömät juotosliitokset heikkenevät ulkoilman olosuhteissa?

Lyijyttömät juotosliitokset heikkenevät UV-säteilyn ja korkean kosteuden vuoksi, mikä aiheuttaa muovikomponenttien hajoamista ja kemiallisia reaktioita, johtuen korroosioon ja sähköisiin vioihin.

Kuinka kosteuden aiheuttamat vauriot juotosliitoksissa voidaan estää?

Kosteuden aiheuttamat vauriot voidaan estää suojaepäpinnan, hydrofobisten nanopäällysteiden ja asianmukaisten suunnittelustrategioiden avulla varmistaakseen ympäristönsuojan.