Turinys

• Trumpas atsakymas
• Techniniai skirtumai
• Kodėl variklio valdymo PCBA susiduria su unikaliais iššūkiais
• Kai PRIVALOTE naudoti bešvinį
• Kai galite pateisinti švino lydmetalą (išimtys)
• Svarbiausi komponentai
• Geriausia bešvinio variklio valdymo PCBA praktika
• DUK
• Sprendimų matrica

Trumpas atsakymas: tai priklauso nuo jūsų programos

Turėdamas 20 metų patirtį galios elektronikos ir pramoninių pavarų, EV valdiklių ir servo sistemų gedimų analizės srityje, dokumentavau, kaip litavimo sprendimai lemia arba pažeidžia variklio valdymo patikimumą. Šiame vadove pateikiami inžineriniai duomenys, lyginamosios lentelės ir praktikoje patikrintos rekomendacijos.

Litavimas be švino yra privalomas daugeliui komercinių variklių valdymo gaminių, siunčiamų į reguliuojamas rinkas (ES, Kiniją, Korėją). Tačiau taikomos išimtys, skirtos automobilių apdangalams, aviacijai ir tam tikroms pramoninėms pavaroms, kai patikimumas viršija norminius reikalavimus.

Techniniai skirtumai: švino ir bešvinio lydmetalio

Medžiagų savybių supratimas paaiškina, kodėl šis sprendimas yra svarbus variklio valdymo PCBA.

Lydinio sudėtis ir lydymosi taškai

Mechaninio patikimumo palyginimas

Kodėl variklio valdymo PCBA susiduria su unikaliais litavimo iššūkiais

Variklio valdymo mazgai patiria įtempių, kurių dauguma PCB niekada nepatiria. Dėl šių trijų veiksnių litavimo pasirinkimas yra labai svarbus.

1. Didelės vibracijos aplinka

Variklių valdikliai, sumontuoti tiesiai ant siurblių, kompresorių ar EV, patiria nuolatinį mechaninį sužadinimą. Viename dokumentuotame tyrime identiški PCBA buvo lyginami su švino ir bešviniu lydmetaliu:

- Švino surinkimas:Pirmieji gedimai po 40 valandų nuo 6 g atsitiktinės vibracijos (komponentinis kojos lūžis)

- Surinkimas be švino:Tas pats gedimo režimas jau po 4 valandų identiškos vibracijos

Priežastis? Bešvinis lydmetalis sumažino plastiškumą. Kai sąnarys negali sulenkti, vibracijos įtempis susikoncentruoja ant komponento švino ir sukelia priešlaikinį lūžį.

2. Ekstremalus terminis važiavimas dviračiu

Variklio pavaros generuoja šilumą. Tada varikliai sustoja. Tada jie vėl pradeda. Įprasta pramoninė pavara tūkstančius kartų sukasi nuo -40°C iki +125°C.

Švino lydmetalisdėl plastiškumo prisitaiko prie CTE (šiluminio plėtimosi koeficiento) neatitikimų tarp komponentų ir PCB.

Lydmetalis be švinojungties sąsajoje sudaro storesnius, trapesnius intermetalinius junginius (IMC). Per didelis IMC augimas susilpnina sąsają ir pagreitina įtrūkimų atsiradimą.

3. Didelės srovės ir džaulių šildymas

Variklio valdymo PCBA teka nuolatinę srovę nuo 5A iki 200A+. Kiekviena litavimo jungtis savaime įkaista dėl I²R nuostolių.

Pagrindinis skirtumas yra ne pasipriešinimas, o tai, kaip jungtis laikui bėgant susidoroja su terminiu ciklo įtempimu.

Kai PRIVALOTE naudoti lydmetalį be švino

Šiuose scenarijuose reguliavimo reikalavimai palieka mažai galimybių rinktis.

RoHS reikalavimus atitinkančios rinkos

ES, Kinija, Pietų Korėja ir daugelis kitų jurisdikcijų riboja švino kiekį elektronikoje iki 0,1 % homogeninės medžiagos masės. Šiose rinkose parduodamuose gaminiuose turi būti naudojamas bešvinis lydmetalis, nebent būtų taikoma speciali išimtis.

Vartotojų ir komercinių variklių valdikliai

Buitinė technika (skalbimo mašinos, ŠVOK ventiliatoriai, šaldytuvo kompresoriai)

Elektriniai įrankiai su variklio pavara

Komerciniai ŠVOK valdikliai

Robotika ne pramoniniam naudojimui

Į eksportą orientuota gamyba

Jei gaminate variklių valdymo PCBA pasauliniam platinimui, atskirų švino ir bešvinių gamybos linijų priežiūra sukelia atsargų sudėtingumą ir riziką kokybei. Vieningas apdorojimas be švino yra praktiškas pasirinkimas.

Kai galite pateisinti švino lydmetalą (išimtys)

Tam tikroms programoms gali būti taikomos RoHS išimtys arba jos visiškai nepatenka į reguliavimo sritį.

Automobilių elektronika po gaubtu

Išimtis 7(c)-I(galioja bent 2026 m.) leidžia pirmauti didelio patikimumo automobilių elektronikos gaminiuose, kai bešvinės alternatyvos nėra patikimos.

Realūs 1 pakopos tiekėjų duomenys rodo:

• Variklio valdymo blokų bešvinės jungtys rodo anksčiau įtrūkimų atsiradimą, kai veikia terminis ciklas
• Skardos ūsų susidarymas ant gryno alavo apdailos kelia trumpojo jungimo riziką sandariuose ECU
• Daugelis automobilių originalios įrangos gamintojų ir toliau nurodo švininį lydmetalą saugai svarbiems moduliams

Oro erdvė ir karinė

Visiška išimtis. Bešvinis lydmetalis nereikalingas aviacijoje, gynyboje ar kosmose. Remiantis dešimtmečių patikimumo duomenimis, šie sektoriai ir toliau naudoja Sn63/Pb37.

Pramoninės variklio pavaros (10 ir daugiau metų eksploatavimo trukmės reikalavimai)

Kai variklio valdiklis turi veikti 15 ir daugiau metų gamykloje be oro kondicionavimo (nuo -20°C iki +70°C aplinkos), švino lydmetalis lieka konservatyvus pasirinkimas. Ilgalaikio terminio nuovargio be švino duomenys tokiomis sąlygomis vis dar tobulinami.

Medicinos įranga (neimplantuojama)

Išimtys taikomos daugeliui elektroninių medicinos prietaisų, kurių patikimumas turi tiesioginės įtakos pacientų saugai.

Remonto ir keitimo dalys

Esamos švino litavimo įrangos pakaitiniuose PCBA turėtų būti naudojamas lydmetalis su švinu, kad būtų išlaikytas metalurginis suderinamumas su esamomis jungtimis ir komponentais.

Svarbiausi variklio valdymo PCBA komponentai

Ne visos dalys toleruoja bešvinio litavimo temperatūrą. Šios penkios kategorijos reikalauja ypatingo dėmesio.

1. Temperatūrai jautrūs komponentai

Bešvinio atpylimo smailės yra 245–260 °C temperatūroje – daug daugiau nei švino 220–230 °C.

2. Komponentai su gryno alavo apdaila

Dėl gryno alavo apdailos (dažniausiai ant bešvinių komponentų) ilgainiui gali susidaryti laidūs ūsai – tai yra kritinė rizika variklio valdymo įtaisams, kurių atstumas tarp komponentų yra mažas.

Sušvelninimo strategijos:

- Vietoj gryno alavo nurodykite NiPdAu arba matinį alavo-bismuto apdailą

- Užtepkite konformišką dangą ant visų litavimo jungčių

- Venkite gryno alavo ant komponentų didelio tankio vietose

3. Esamas komponentų su švinu inventorius

Naudojant švino lydmetalio komponentus (pvz., SnPb padengtus laidus) surinkimo be švino procese sukuriamaproceso nesuderinamumas:

Komponento apdaila lydosi 183°C temperatūroje, bet bešviniam lydmetaliui reikia 245°C+

Komponento apdaila gali oksiduotis arba ištirpti prieš susiformuojant litavimo jungtims

Rezultatas: nepatikimos jungtys, galvos pagalvės defektai ir lauko gedimai

Taisyklė:Naudokite komponentus, skirtus litavimo procesui, kurį jie patirs.

Geriausia bešvinio variklio valdymo PCBA praktika

Jei reikia naudoti be švino, ši praktika padidina patikimumą.

PCB paviršiaus apdailos pasirinkimas

Rekomendacija:ENIG užtikrina geriausią drėkinimą ir ilgiausią galiojimo laiką montuojant be švino.

Pertvarkymo profilio optimizavimas

Dėl prastai optimizuoto bešvinio pakartotinio srauto profilio susidaro šaltos jungtys, tuštumos ir trapūs IMC.

Vibracijos mažinimas bešvinėms jungtims

Atsižvelgiant į sumažėjusį bešvinio vibracijos lankstumą, atlikite šiuos papildomus veiksmus:

1. Indavimas / inkapsuliavimas:Užpildykite korpusą aplink didelės masės komponentus (jungtis, transformatorius, didelius kondensatorius) silikono arba uretano mišiniu. Tai pašalina vibracijos įtampą nuo litavimo jungčių.

2. Klijais suklijuoti komponentai:Epoksidinius arba silikoninius klijus naudokite po dideliais paviršiaus montavimo įrenginiais (induktoriais, aliuminio kondensatoriais).

3. Sumažinkite komponentų atstumo aukštį:Aukšti komponentai su ilgais laidais veikia kaip vibracijos svirtis. Jei įmanoma, nurodykite žemo profilio komponentus.

Variklio valdymo PCBA DUK

Žemiau pateikiami trys techniniai motorinių pavarų projektuotojų ir gamybos inžinierių klausimai.

1 klausimas: projektuoju elektrinės transporto priemonės variklio valdiklį 1 pakopos automobilių tiekėjui. Ar galiu naudoti bešvinį lydmetalą?

A:Taip, bet su reikšmingu kvalifikacijos patikrinimu. Dauguma Tier-1 automobilių tiekėjų šiuo metu naudoja bešvinį lydmetalą naujoms konstrukcijoms, nes ES rinkos transporto priemonės turi atitikti RoHS. Tačiau išimtys taikomos elektronikai po gaubtu, kai bešvinio patikimumo duomenys lieka neišsamūs.

Jūsų kvalifikacijos planas turi apimti:

Praktinis patarimas:Daugelis automobilių originalios įrangos gamintojų ir toliau nurodo švinu turintį lydmetalą, skirtą po gaubtu sumontuotiems ECU, taikydami esamą RoHS išimtį. Prieš įsipareigodami naudoti be švino, pasitarkite su savo klientu. Jei bešvinis yra privalomas, nurodykite ENIG paviršiaus apdailą ir atitinkamą dangą visiems mazgams.

2 klausimas: mano pramoninė variklio pavara sugedo po 18 mėnesių, nes šešių galios MOSFET jungtys buvo įtrūkusios. Surinkime naudojamas SAC305 bešvinis lydmetalis. Kas nutiko?

A:Tai klasikinis terminio nuovargio gedimas. Štai diagnostikos seka:

1 veiksmas – patikrinkite įtrūkimų vietas:Mikroskopu pažiūrėkite į sąsają tarp MOSFET laido ir lydmetalio. Jei įtrūkimas eina išilgai intermetalinio junginio (IMC) sluoksnio, IMC išaugo per storas pakartotinio srauto metu.

2 veiksmas – peržiūrėkite pertvarkymo profilį:SAC305 atveju laikas virš likvidumo (TAL) turėtų būti daugiausia 60–90 sekundžių. Jei jūsų TAL viršijo 120 sekundžių, IMC storis gali viršyti 10 µm (trapi zona prasideda virš 5 µm).

3 veiksmas – išmatuokite temperatūros kilimą prie MOSFET išleidimo padėklo:Naudodami infraraudonųjų spindulių kamerą išmatuokite trinkelės temperatūrą esant pilnai apkrovai. Jei ji viršija 110°C, šiluminio ciklo delta (ΔT) yra per didelė.

4 veiksmas – patikrinkite, ar tvirtinimas yra viename taške:Maitinimo MOSFET su didelėmis šiluminėmis trinkelėmis (DPAK, D2PAK, TO-263), kuriose nėra šiluminių angų arba po trinkelėmis yra tuštumų, atsiranda karštų taškų. Sąnarių rentgenograma – daugiau nei 25 % pagalvėlės ploto tuštumos yra nepriimtinos.

Rekomenduojami pataisymai (svarbumo tvarka):

1. Sumažinti ΔT:Pridėkite aušintuvą arba pagerinkite oro srautą, kad MOSFET trinkelės būtų žemesnės nei 90°C esant pilnai apkrovai.

2. Pridėti terminius perėjimus:Po kiekvienu MOSFET kilimėliu padėkite 0,3 mm angų masyvą (užpildytą ir uždengtą), kad šiluma būtų įtraukta į PCB įžeminimo plokštę.

3. Naudokite mažai sidabro turintį lydinį:Apsvarstykite SAC105 (1 % Ag), o ne SAC305. Mažesnis sidabro kiekis padidina elastingumą ir atsparumą terminiam nuovargiui, o lydymosi temperatūra šiek tiek aukštesnė.

4. Įdėkite MOSFET:Ant MOSFET užtepkite šilumai laidžio mišinio. Tai sumažina šiluminio ciklo įtampą ir perduoda šilumą.

3 klausimas: man reikia pataisyti variklio valdymo PCBA, kuriame iš pradžių buvo naudojamas švino lydmetalis. Ar galiu remontui naudoti bešvinį lydmetalą?

A:Techniškai taip, bet nerekomenduojama. Štai kodėl:

1 problema – mišri metalurgija:Bešvinis lydmetalis (SAC305) gerai nesimaišo su švino lydmetalio likučiais (Sn63/Pb37). Gautas lydinys turi nenuspėjamą lydymosi temperatūrą (paprastai nuo 190 °C iki 210 °C) ir sudaro silpnas, grūdėtąsias jungtis, linkusias įtrūkti.

2 problema – temperatūros konfliktas:Norint tinkamai tekėti bešvinis lydmetalis, jums reikia 370–400 °C lituoklio antgalio. Ši temperatūra gali:

Atskirkite PCB trinkelę nuo FR4 pagrindo

Sugadinti gretimus komponentus (ypač elektrolitinius kondensatorius)

Ištirpinkite netoliese esančias plastikines jungtis

Rekomenduojamas remonto protokolas:

Jei turite naudoti bešvinę lentą su švinu:Pašalinkite 100% esamo lydmetalio iš remonto vietos naudodami vakuuminę litavimo stotį. Apžiūrėkite padidinus – bet koks švino lydmetalio likutis užterš naują jungtį. Tada tęskite litavimą be švino 370 °C temperatūroje su aktyviu srautu.

Sprendimų matrica: Variklio valdymo PCBA su švinu ir be švino

Naudokite šią lentelę litavimo pasirinkimui.

Litavimas be švino teisiškai reikalingas daugumai variklių valdymo PCBA, siunčiamų į reguliuojamas rinkas. Tačiau bešvinių lydinių medžiagų savybės – didesnis trapumas, storesnis IMC susidarymas, alavo ūsų rizika – kelia tikrų problemų dėl patikimumo naudojant didelę vibraciją ir terminį ciklą.

Privalomoms bešvinėms programoms:

Norėdami geriausiai sudrėkinti, naudokite ENIG paviršiaus apdailą

Atsargiai valdykite pakartotinio srauto profilį (TAL 60-90 sekundžių, smailė 245-260°C)

Didelės masės komponentams pridėkite vazono arba klijų

Užtepkite konforminę dangą, kad sumažintumėte alavo ūsus

Programoms, kurioms gali būti taikomos išimtys (automobilių apatinis gaubtas, pramoninė 10 ir daugiau metų, aviacija, medicina):

- Švino lydmetalis (Sn63/Pb37) išlieka patikimumo auksiniu standartu

- Lankstumo, atsparumo vibracijai ir dešimtmečių lauko duomenų derinį sunku pakeisti

Dėl remonto:Suderinkite originalų litavimo lydinį. Mišri metalurgija sukuria nenuspėjamas, nepatikimas jungtis.

Galutinis sprendimas subalansuoja atitiktį reglamentams ir lauko patikimumą. Plataus vartojimo gaminiams, kurių numatomas eksploatavimo laikas yra 3–5 metai, bešvinis produktas yra brandus ir patikimas. Saugumui svarbiems arba ilgalaikiams variklio valdikliams laikykitės išimčių ir naudokite švininį lydmetalą.