EN
Utmaningar med termisk cykling och materialkompatibilitet
Missmatch av termisk expansion mellan LED:ar, FR-4-substrat och SAC305-lod
Att få material att fungera tillsammans på rätt sätt är mycket viktigt när det gäller att skapa tillförlitliga lödfogar i PCB-korten för solcellsdrivna LED-belysningsanläggningar utomhus. Ta en titt på siffrorna: lysdioder expanderar med cirka 6 till 8 ppm per grad Celsius, medan FR-4-substraten expanderar med ungefär 14 till 17 ppm/°C. Det vanliga SAC305-lödmetall vi använder expanderar ännu mer, ungefär 22 ppm/°C. Dessa skillnader skapar verkliga problem vid temperaturförändringar. Vad händer? Mekanisk spänning byggs upp precis vid anslutningarna mellan komponenterna. Med tiden leder detta till att små sprickor bildas i själva lödfogarna. Branschens fältundersökningar visar faktiskt att ungefär två tredjedelar av de tidiga fallen i utomhussolbelysningssystem orsakas av dessa problem med termisk expansion. Därför lägger kloka tillverkare så stor vikt vid att noggrant anpassa material till varandra. När de lyckas med detta minskar de spänningspunkterna avsevärt och får sina produkter att hålla längre genom alla de varma och kalla cykler som sker utomhus.
Accelererad termisk cykling (−40°C till +85°C, 1000+ cykler) som en pålitlighetspredikator
Accelererade termiska cykeltester simulerar tiotals år av säsongsbetingad påfrestning på några veckor. Genom att utsätta PCB:er för 1000+ cykler mellan −40°C och +85°C avslöjs felutveckling som starkt korrelerar med prestand i verkligheten:
- Tidig fas (cykler 1–300) : Tjocknande av intermetalliskt föreningsskikt (IMC)
- Mellanfas (cykler 301–700) : Sammanslagning av mikrohål och sprickbildning
- Slutfas (700+ cykler) : Genomgående sprickor i lödjointen och elektrisk avbrott
Denna metodologin förutsäger fältpålitlighet med 92 % noggrannhet när den anpassas till regionala klimatprofiler. Tillverkare som använder validerade termiska cykelprotokoll rapporterar 40 % färre garantianspråk i temperatursvängande regioner.
Optimering av blyfritt lödprocess för uteanvändning
Solkraftade LED-belysning utsätts för hårda miljöpåfrestningar – UV-exponering, fuktvariationer och stora temperatursvängningar – vilket kräver pålitliga lödfogar. Förståelse av brottmekanismer och förbättrade tillverkningsprotokoll är avgörande för lång livslängd.
UV/fuktnedbrytningsmekanismer i SnAgCu-legeringar på kretskort för solkraftad LED-belysning
Typen SnAgCu- eller SAC-lödmedel utan bly uppfyller miljökraven men har en tendens att brytas ner när den utsätts för utomhusförhållanden under längre perioder. Solens ljus påskyndar faktiskt hur snabbt de plastdelar som finns på kretskort börjar falla isär, vilket gör kopplingen mellan lödning och kretskort svagare med tiden. Samtidigt tränger fukt in i dessa anslutningar och orsakar kemiska reaktioner som skapar små ledande banor över ytor där de inte ska finnas, vilket potentiellt kan leda till farliga kortslutningar. När de utsätts för upprepade cykler med hög fuktighet runt 85 procent relativ fuktighet vid cirka 85 grader Celsius ökar korrosionshastigheten för SAC305-lödfogar med ungefär fyrtio procent jämfört med vad som sker i normala laboratoriemiljöer. Denna kombinerade effekt innebär att tillverkare måste tänka på att åtgärda problem från flera håll, genom att ta hänsyn både till materialvalet och till hur produkterna är konstruerade.
Kontroll av återflödesprofil för att minimera tomrumsbildning och variationer i metalliska föreningar (IMC)
Noggrann termisk hantering under återflöde styr sammanfogningens integritet. Viktiga parametrar inkluderar:
- Uppvärmningshastighet : ≤2°C/sekund för att undvika termisk chock för komponenter och avskalning av kopplingar
- Topp temperatur : 240–245°C för SAC305 – säkerställer full smältning av legeringen utan att skada värmekänsliga lysdioder
- Tid ovanför solidus (TAL) : 60–90 sekunder för att begränsa överdriven IMC-tillväxt
- Kylhastighet : 3–4°C/sekund för att främja finstrukturerade, mekaniskt motståndskraftiga IMC-lager (<4 μm tjocka)
Tomrum som överstiger 25 % av fogytan minskar termisk utmattningstålighet med 50 %. Återflöde med kväve minskar oxidation och sänker bildandet av tomrum till <5 % – en avgörande fördel för utomhusapplikationer utsatta för fukt
IPC-konformitet och visuella inspektionsstandarder för lödfogs pålitlighet
IPC-A-610 klass 2 godkännandekriterier för solpanelkretsar till sol-LED trädgelys
Sol-LED trädgelys kretskort kräver överensstämmelse med IPC-A-610 klass 2 – industristandarden för elektronikmontering avsedd för långvarig användning i icke-kritiska men krävande miljöer, såsom utomhusbelysning. Viktiga krav för lödningar inkluderar:
- Minst 75 % täckning av hälfilen för ytbefintliga lysdioder (SMD)
- Inga synliga sprickor i genomborrade anslutningar efter termisk cykling
- Maximalt 25 % hålighet i lödförbindelser
Automatiserad optisk inspektion (AOI) verifierar dessa parametrar mot dokumenterade godkänt/underkänt trösklar, vilket säkerställer att lödförbindelserna tål termiska cykler i trädgåns klass (−40°C till +85°C). Icke-kompatibla sprickor eller otillräcklig våtning måste omarbetas innan vattentät kapsling för att förhindra felsfunktion orsakad av fukt.
IPC-J-STD-001G Bilaga B vägledning för våtning och filgeometry på ENIG-padder
När det gäller kemisk nickelimmersionsguld (ENIG) ytor, som ofta används på kretskort för solbelysningsapplikationer, anger IPC-J-STD-001G bilaga B specifika våttningskrav som tillverkare måste följa. Att uppnå korrekt filletgeometri innebär att säkerställa att lödmedel kommer i kontakt i vinklar under 90 grader och bildar ett enhetligt mellanmetalliskt lager där koppar möter lödmedel. Enligt kraven i bilaga B bör minst 95 % av padarna täckas inom endast fem sekunder vid omlödning med legeringar som SAC305. Detta hjälper till att undvika delvis våtning (dewetting), vilket kan försvaga kretskortets motståndskraft mot fuktskador över tiden. För termiska profiler är det viktigt att hålla topptemperaturen mellan 235 och 245 grader Celsius. Detta intervall möjliggör goda våtningsegenskaper samtidigt som risken för sprödhet orsakad av guld minimeras, vilket i sin tur förhindrar bildandet av trädliknande kristaller (dendriter) och skyddar mot korrosion, särskilt i fuktiga miljöer.
Strategier för miljöskydd mot fuktskador
Vatten som tränger in i fogarna är fortfarande ett av de största problemen som orsakar skador på lödförbindelserna på PCB-korten i solenergidrivna trädgådslampor. Detta leder till snabbare rostbildning och tidigare elektriska haverier när dessa lampor utsätts för väder och vind. Den bästa försvarsmetoden börjar med att applicera konformala beläggningar, vanligtvis gjorda av akryl eller silikonmaterial, enligt branschstandarder som IPC-CC-830B. Dessa skyddande lager skapar starka barriärer mot fukt och tål också solljus väl, vilket är viktigt om lamporna ska fungera tillförlitligt under längre tid i trädgårdar. Att få rätt expansionskoefficienter mellan kretskortsplattan och beläggningen är också mycket viktigt. När temperaturen svänger mellan minus 40 grader Celsius och plus 85 grader håller material med olika expansionskoefficienter inte ihop utan börjar flagna.
För applikationer med hög risk inkluderar lagrad skydd:
- Hällning av drivare och batterianslutningar med epoxi- eller polyuretanharts
- Applicering av hydrofoba nanobeläggningar direkt på lödfogar för att avvisa vatteninträngning
- Integrering av dräneringskanaler i hus för att förhindra vattenansamling
Varje montering måste genomgå strikta miljökontroller innan den släpps. Standardtestet innebär att komponenter körs i mer än 500 timmar vid 85 procent relativ fuktighet och 85 grader Celsius enligt IEC 60068-2-78-standarder. Detta hjälper till att verifiera om lödfogarna kommer att klara verkliga förhållanden. När fukt inte kontrolleras ordentligt kan felfrekvensen öka upp till tre gånger under upprepade cyklar av fuktiga och torra miljöer. Att få detta rätt börjar tidigt i designfasen. Ingenjörer bör fokusera på att minska de små mellanrummen runt lödpaderna där problemen startar. De måste ha tillräckligt med avstånd mellan ledare för att förhindra oönskade kemiska reaktioner. Att hitta rätt balans mellan skyddande beläggnings tjocklek och värmeavledning är en svår uppgift. För tjock tätning innebär att värme fångas in, vilket faktiskt påskyndar tillväxten av intermetalliska föreningar i SAC305-legeringar över tiden.
FAQ-sektion
Vad orsakar utmaningar vid termisk cykling i solpaneldrivna LED-belysningar för utomhusbruk?
Termiska cyklingutmaningar beror främst på obalansen i termisk expansionshastighet mellan LED:ar, FR-4-substrat och SAC305-lödning, vilket orsakar mekanisk spänning och sprickbildning i lödfogar vid temperaturförändringar.
Hur fungerar accelererad termisk cyklingstestning?
Accelererade termiska cyklingstester simulerar tiotals år av temperaturpåfrestning på kort tid, avslöjar felutveckling genom cykler och förutsäger prestanda i verkliga miljöer.
Varför försämras blyfria lödfogar i utomhusmiljöer?
Blyfria lödfogar försämras på grund av UV-exponering och hög fuktighet, vilket leder till nedbrytning av plastkomponenter och kemiska reaktioner som orsakar korrosion och elektriska fel.
Hur kan fuktpåverkade fel i lödfogar förhindras?
Fuktpåverkade fel kan förhindras genom konformala beläggningar, hydrofoba nanobeläggningar och lämpliga designstrategier för att säkerställa miljöskydd.
