Poprawa przewodności cieplnej lutowia w celu rozwiązania problemów z przegrzewaniem elektroniki

We współczesnym projektowaniu i produkcji urządzeń elektronicznych zarządzanie termiczne stało się kluczowym czynnikiem. Wraz z ciągłym wzrostem gęstości integracji i gęstości mocy komponentów elektronicznych, ilość ciepła generowanego w urządzeniach gwałtownie rośnie. Jeśli ciepło to nie może być skutecznie rozpraszane, prowadzi to do podwyższonych temperatur komponentów, co ostatecznie wpływa na wydajność, niezawodność i żywotność urządzenia.

W systemach chłodzenia elektronicznego lutowie odgrywa kluczową rolę – nie tylko służąc jako mechaniczny i elektryczny most między komponentami, ale także funkcjonując jako kluczowe medium wymiany ciepła. Przewodność cieplna lutowia bezpośrednio wpływa na efektywność wymiany ciepła, co sprawia, że dogłębne zrozumienie właściwości termicznych lutowia jest niezbędne do wyboru odpowiednich materiałów, optymalizacji projektu termicznego i tworzenia wysokowydajnych produktów elektronicznych.

Lutowie jest niezbędnym materiałem w produkcji elektroniki, używanym przede wszystkim do połączeń mechanicznych i elektrycznych między komponentami. Jego funkcje obejmują:

• Połączenie mechaniczne: Lutowie tworzy stabilne połączenia strukturalne, które zachowują niezawodność w różnych warunkach pracy.
• Łączność elektryczna: Dzięki doskonałej przewodności lutowie zapewnia nieprzerwaną transmisję sygnału między komponentami.
• Przenoszenie ciepła: Jako medium przewodzenia ciepła, lutowie kieruje ciepło z komponentów do radiatorów lub innych struktur chłodzących.

Wraz z postępem technologii elektronicznej, rosnące gęstości mocy wymagają bardziej rygorystycznych wymagań dotyczących wydajności lutowia. Oprócz tradycyjnych właściwości mechanicznych i elektrycznych, przewodność cieplna stała się krytycznym wskaźnikiem oceny. W zastosowaniach o dużej mocy, takich jak oświetlenie LED, wzmacniacze mocy i procesory komputerów, wydajność termiczna lutowia bezpośrednio determinuje temperatury pracy i żywotność urządzenia.

Stopy cyny i ołowiu (SnPb) od dawna dominowały w elektronice ze względu na ich doskonałe właściwości zwilżające, niskie temperatury topnienia i doskonałą lutowność. Jednak zagrożenia dla środowiska i zdrowia związane z ołowiem skłoniły do zmian regulacyjnych, przede wszystkim dyrektywy RoHS UE z 2006 r. ograniczającej stosowanie niebezpiecznych substancji w elektronice.

Przejście to pobudziło rozwój alternatyw bezołowiowych, takich jak stopy cyny, srebra i miedzi (SAC), cyny i miedzi (SnCu) oraz cyny i cynku (SnZn). Chociaż dorównują one SnPb pod względem wydajności mechanicznej i elektrycznej, ich przewodność cieplna często jest niższa. Ponadto uzyskanie wiarygodnych danych dotyczących przewodności cieplnej dla tych stopów pozostaje wyzwaniem.

Materiały lutownicze są zwykle kategoryzowane według poziomu zastosowania:

• Połączenie warstwy 1: Używane do połączeń chip-to-package, charakteryzujące się wyższymi temperaturami topnienia, aby wytrzymać kolejne procesy montażu. Wymagają one ekstremalnej niezawodności, ponieważ tworzą najbardziej krytyczne połączenia urządzenia.
• Połączenie warstwy 2: Łączy zapakowane komponenty z płytkami drukowanymi, z niższymi temperaturami topnienia, aby ułatwić montaż bez zakłócania połączeń chipów. Utrzymują one równowagę między kosztem, niezawodnością i lutownością.

Zdefiniowana jako wymiana ciepła na jednostkę gradientu temperatury na jednostkę powierzchni (W/m·K), przewodność cieplna określa zdolność lutowia do rozpraszania ciepła. Wyższe wartości umożliwiają szybsze przenoszenie ciepła z komponentów do struktur chłodzących.

Tabela 1 porównuje przewodności cieplne popularnych stopów lutowniczych, uszeregowane według temperatury topnienia. Należy pamiętać, że wpisy z pojedynczą temperaturą topnienia reprezentują kompozycje eutektyczne, podczas gdy tolerancje kompozycji wynoszą ±0,2% dla komponentów ≤5% i ±0,5% dla komponentów >5%.

Lutowie o wysokiej temperaturze topnienia z Tabeli 1 jest zwykle używane w hermetycznych obudowach chipów do zastosowań lotniczych, wojskowych i innych zastosowań o wysokiej niezawodności. Wymagają one materiałów podłoża o współczynnikach rozszerzalności cieplnej dopasowanych do materiałów półprzewodnikowych, aby zapobiec awariom spowodowanym naprężeniami podczas chłodzenia.

Eutektyczne lutowie złoto-cyna oferuje doskonałą zwilżalność, wytrzymałość mechaniczną i odporność na korozję, chociaż jego wysoki koszt ogranicza jego zastosowanie do zastosowań premium.

Warianty cyny, srebra i miedzi (SAC), takie jak Sn96.5Ag3.0Cu0.5 i Sn95.5Ag4.0Cu0.5, pojawiły się jako główne zamienniki SnPb, dorównując pod względem wydajności mechanicznej i elektrycznej, a jednocześnie nieco ustępując pod względem przewodności cieplnej (~60 W/m·K w 25°C).

Warto zauważyć, że szacowanie przewodności cieplnej stopu przy użyciu prostych reguł mieszania opartych na wartościach czystych pierwiastków może prowadzić do znacznych błędów. Na przykład AuSn (80/20) wykazuje przewodność 57 W/m·K – poniżej zarówno złota (315 W/m·K), jak i cyny (66 W/m·K) – co pokazuje, jak mikrostruktura i granice ziaren wpływają na wydajność termiczną poza samym składem.

Pory w lutowiu zmniejszają efektywną powierzchnię przewodzenia i tworzą punkty koncentracji naprężeń. Zminimalizowanie porowatości poprzez zoptymalizowane procesy lutowania (kontrola temperatury, czystość materiału itp.) jest niezbędne do maksymalizacji wydajności termicznej i mechanicznej.

Dokładne dane dotyczące przewodności cieplnej lutowia zwiększają precyzję w analizie elementów skończonych (FEA) i modelach termicznych metodą różnic skończonych (FDM), umożliwiając lepsze projekty systemów chłodzenia.

Lutowie nowej generacji będzie dążyć do wyższej przewodności cieplnej, wytrzymałości i niezawodności, jednocześnie spełniając bardziej rygorystyczne normy środowiskowe. Badania koncentrują się na lutowiach nanokompozytowych (z dodatkami nanocząstek) i zaawansowanych procesach, takich jak lutowanie laserowe i ultradźwiękowe, w celu zmniejszenia porowatości.

Optymalny wybór lutowia wymaga zrównoważenia:

• Temperatur topnienia specyficznych dla zastosowania
• Wymagań dotyczących wydajności termicznej/mechanicznej
• Ograniczeń kosztowych
• Zgodności ze środowiskiem

• Diody LED dużej mocy: Stopy AuSn lub SAC wzmocnione nanocząstkami
• Procesory komputerów: Stopy AuSn lub stopy ciekłych metali
• Urządzenia mobilne: Stopy SAC lub SnCu o niskiej temperaturze topnienia

Przewodność cieplna lutowia zasadniczo wpływa na wydajność chłodzenia urządzeń elektronicznych. Świadomy dobór materiałów – uwzględniający czynniki termiczne, mechaniczne, ekonomiczne i ekologiczne – umożliwia optymalne zarządzanie termiczne. Ciągłe innowacje w materiałach i procesach lutowania pozwolą sprostać rosnącym wymaganiom wydajności w elektronice nowej generacji.