Het verbeteren van de thermische geleidbaarheid van soldeer om hitteproblemen in elektronica aan te pakken

In het moderne ontwerp en de productie van elektronische apparaten is thermisch beheer een cruciale factor geworden. Omdat de integratiedichtheid en vermogensdichtheid van elektronische componenten blijven toenemen, neemt de hoeveelheid warmte die in apparaten wordt gegenereerd dramatisch toe. Als deze warmte niet effectief kan worden afgevoerd, leidt dit tot verhoogde componenttemperaturen, wat uiteindelijk de prestaties, betrouwbaarheid en levensduur van het apparaat beïnvloedt.

Binnen elektronische koelsystemen speelt soldeer een cruciale rol - niet alleen als de mechanische en elektrische brug tussen componenten, maar ook als een cruciaal warmteoverdrachtmedium. De thermische geleidbaarheid van soldeer heeft direct invloed op de efficiëntie van de warmteoverdracht, waardoor een grondig begrip van de thermische eigenschappen van soldeer essentieel is voor het selecteren van geschikte materialen, het optimaliseren van het thermische ontwerp en het creëren van hoogwaardige elektronische producten.

Soldeer is een onmisbaar materiaal in de elektronica-industrie, voornamelijk gebruikt voor mechanische en elektrische verbindingen tussen componenten. De functies omvatten:

• Mechanische verbinding: Soldeer creëert stabiele structurele verbindingen die de betrouwbaarheid onder verschillende bedrijfsomstandigheden behouden.
• Elektrische connectiviteit: Met uitstekende geleidbaarheid zorgt soldeer voor ononderbroken signaaloverdracht tussen componenten.
• Thermische overdracht: Als warmtegeleidingsmedium leidt soldeer warmte van componenten naar koelplaten of andere koelstructuren.

Naarmate de elektronische technologie vordert, eisen toenemende vermogensdichtheden strengere prestatie-eisen voor soldeer. Naast traditionele mechanische en elektrische eigenschappen is thermische geleidbaarheid een cruciale evaluatiemaatstaf geworden. In hoogvermogenstoepassingen zoals LED-verlichting, eindversterkers en computer-CPU's bepaalt de thermische prestatie van soldeer direct de bedrijfstemperaturen en de levensduur van het apparaat.

Tin-lood (SnPb)-legeringen domineerden lange tijd de elektronica vanwege hun uitstekende bevochtigingseigenschappen, lage smeltpunten en superieure soldeerbaarheid. De milieu- en gezondheidsrisico's van lood leidden echter tot wettelijke veranderingen, met name de RoHS-richtlijn van de EU uit 2006 die gevaarlijke stoffen in elektronica beperkt.

Deze overgang stimuleerde de ontwikkeling van loodvrije alternatieven zoals tin-zilver-koper (SAC), tin-koper (SnCu) en tin-zink (SnZn)-legeringen. Hoewel deze qua mechanische en elektrische prestaties overeenkomen met SnPb, schiet hun thermische geleidbaarheid vaak tekort. Bovendien blijft het verkrijgen van betrouwbare gegevens over de thermische geleidbaarheid voor deze legeringen een uitdaging.

Soldeermaterialen worden doorgaans gecategoriseerd op toepassingsniveau:

• Niveau 1 Interconnectie: Gebruikt voor chip-naar-pakketverbindingen, met hogere smeltpunten om bestand te zijn tegen daaropvolgende assemblageprocessen. Deze vereisen extreme betrouwbaarheid, omdat ze de meest kritieke verbindingen van het apparaat vormen.
• Niveau 2 Interconnectie: Verbindt verpakte componenten met printplaten, met lagere smeltpunten om de assemblage te vergemakkelijken zonder de chipverbindingen te verstoren. Deze balanceren kosten, betrouwbaarheid en soldeerbaarheid.

Gedefinieerd als warmteoverdracht per eenheid van temperatuurgradiënt over een eenheidsoppervlak (W/m·K), bepaalt de thermische geleidbaarheid de warmteafvoerende capaciteit van een soldeer. Hogere waarden maken snellere warmteoverdracht van componenten naar koelstructuren mogelijk.

Tabel 1 vergelijkt de thermische geleidbaarheid van veelvoorkomende soldeerlegeringen, gesorteerd op smeltpunt. Merk op dat vermeldingen met één smeltpunt eutectische samenstellingen vertegenwoordigen, terwijl de samenstellingstoleranties ±0,2% zijn voor ≤5% componenten en ±0,5% voor >5% componenten.

Hoge smeltpuntsolders uit tabel 1 worden doorgaans gebruikt in hermetische chipverpakkingen voor de lucht- en ruimtevaart, het leger en andere toepassingen met een hoge betrouwbaarheid. Deze vereisen substraatmaterialen met thermische uitzettingscoëfficiënten die overeenkomen met halfgeleidermaterialen om spanningsgeïnduceerde defecten tijdens het afkoelen te voorkomen.

Goud-tin eutectisch soldeer biedt uitstekende bevochtigbaarheid, mechanische sterkte en corrosiebestendigheid, hoewel de hoge kosten het gebruik beperken tot premiumtoepassingen.

Tin-zilver-koper (SAC)-varianten zoals Sn96.5Ag3.0Cu0.5 en Sn95.5Ag4.0Cu0.5 zijn naar voren gekomen als primaire SnPb-vervangers, die qua mechanische en elektrische prestaties overeenkomen, terwijl ze qua thermische geleidbaarheid iets achterblijven (~60 W/m·K bij 25°C).

Met name het schatten van de thermische geleidbaarheid van legeringen met behulp van eenvoudige mengregels op basis van pure elementwaarden kan aanzienlijke fouten opleveren. AuSn (80/20) vertoont bijvoorbeeld een geleidbaarheid van 57 W/m·K - onder zowel goud (315 W/m·K) als tin (66 W/m·K) - wat aantoont hoe microstructuur en korrelgrenzen de thermische prestaties beïnvloeden, meer dan alleen de samenstelling.

Soldeervoids verminderen het effectieve geleidingsoppervlak en creëren spanningsconcentratiepunten. Het minimaliseren van porositeit door middel van geoptimaliseerde soldeerprocessen (temperatuurregeling, materiaalzuiverheid, enz.) is essentieel voor het maximaliseren van de thermische en mechanische prestaties.

Nauwkeurige gegevens over de thermische geleidbaarheid van soldeer verbeteren de precisie in eindige-elementenanalyse (FEA) en eindige-verschillenmethode (FDM) thermische modellen, waardoor betere ontwerpen van koelsystemen mogelijk worden.

De volgende generatie soldeersels zal streven naar een hogere thermische geleidbaarheid, sterkte en betrouwbaarheid en tegelijkertijd voldoen aan strengere milieunormen. Onderzoek richt zich op nanocomposietsolders (met nanodeeltjesadditieven) en geavanceerde processen zoals laser- en ultrasoon solderen om porositeit te verminderen.

Optimale soldeerselectie vereist een evenwicht tussen:

• Toepassingsspecifieke smeltpunten
• Thermische/mechanische prestatie-eisen
• Kostenbeperkingen
• Naleving van de milieuvoorschriften

• High-power LED's: AuSn of nanodeeltjesverbeterde SAC-legeringen
• Computer CPU's: AuSn of vloeibare metaallegeringen
• Mobiele apparaten: Laag smeltende SAC- of SnCu-legeringen

De thermische geleidbaarheid van soldeer heeft een fundamentele invloed op de efficiëntie van de koeling van elektronische apparaten. Geïnformeerde materiaalselectie - rekening houdend met thermische, mechanische, economische en ecologische factoren - maakt optimaal thermisch beheer mogelijk. Voortdurende innovatie in soldeermaterialen en -processen zal voldoen aan de steeds hogere prestatie-eisen in de volgende generatie elektronica.