Pájené spoje a jejich spolehlivost v konstrukci svítidel

Abstrakt: V dokumentu je probrána problematika bezolovnatého pájení v konstrukci svítidel, příčiny poruch takto pájených spojů a možnosti jak tyto poruchy omezit.

1       Úvod

 

Současná svítidla jsou bez elektronických obvodů k jejich napájení a řízení nemyslitelná. Elektroniku dnes obsahuje většina předmětů, které nás obklopují, a považujeme ji za samozřejmost, která nám zjednodušuje spoustu činností. Do jisté míry se tak stáváme na elektronice závislými, aniž bychom se zabývali dostatečně nebezpečím jejího selhání. Metoda bezolovnatého pájení je trochu opomíjenou příčinou nespolehlivosti a poruchovosti elektroniky, přitom stojí za většinou „neopravitelných“ poruch, vedoucích až k městským legendám o vestavěných „kurvítkách“. Které jsme si tam odhlasovali prostřednictvím našich europoslanců.…

2       Bezolovnaté pájení

 

2.1      Trocha historie

Dnem 1.7 2006 vešla v platnost směrnice Evropské unie RoHS, kterázakázala použití pájek s příměsí olova. Přijetí této směrnice je dokonalou ukázkou známého výroku “Mysleli jsme to dobře, ale dopadlo to jako obvykle“. Je tragédií, když politici rozhodují o technických problémech, kterým vůbec nerozumí, a nechají se dostrkat lobbisty k rozhodnutím, která mají ve výsledku zcela opačné výsledky, než bylo deklarováno. Pro další příklady nemusíme chodit daleko – podpora bionafty, která spotřebuje více nafty, než nahradí, podpora solárních a větrných elektráren bez odpovídající infrastruktury, nesmyslně přísné předpisy na spalovací motory….Směrnice byla prezentována jako investice do nových technologií výměnou za menší kontaminaci přírody olovem. Zásadním negativním rysem nové technologie je její menší životnost a spolehlivost. To znamená vyšší spotřebu materiálu, energií a tím i vyšší zátěž pro životní prostředí. Renomovaní odborníci jsou  přesvědčeni, že nižší kontaminace životního prostředí olovem bylo možné dosáhnout s podstatně nižšími náklady cestou výkupu a recyklace elektroniky. Naprostou ironií je skutečnost, že olověné automobilové baterie jsou z této směrnice vyňaty. V elektronice se přitom před platností směrnice spotřebovalo cca 0,5% světové spotřeby olova, na výrobu automobilových baterií to bylo v témže roce 80% celkové spotřeby. [1]

Doklademnedomyšlenosti této směrnic je i udělená výjimka pro výrobky leteckého, vojenského a lékařského (do r. 2014)průmyslu. Tyto výjimky byly uděleny proto, že nebyla známa rovnocenná náhrada za olovnatou pájku. Ta představovala technologickou špičku díky svým mechanických vlastnostem i nízké teplotě tání. Dodnes se hledají vhodné bezolovnaté pájky, které by se jejím vlastnostem vyrovnaly. Běžná olověná pájka Sn63Pb37 má teplotu tání 183°C, nové slitiny jako například Sn96Ag4 mají teplotu tání o 40°C vyšší a pro dosažení kvalitních výsledků vyžadují použití ochranné atmosféry dusíku. To znamenalo obrovské investice do nových pájecích linek a zánik mnoha menších firem bez náhrady. Situace tak nahrála především velkým a připraveným firmám, které na tom ve výsledku profitovaly díky odstranění konkurence. Investice do výroby se jim poměrně rychle vrátily i díky zkrácené době života výrobků. Teprve průnik elektroniky do automobilů přinesl v této oblasti zvrat a díky výzkumu firem navázaných na automobilový průmysl víme o degradaci bezolovnatých pájek více.

 

2.2      Poruchy plošných spojů vzniklé zákazem olova

Zákaz použití olova v pájkách vedl ke vzniku tří typů poruch.

2.2.1      Cínové vousy

K tvorbě takzvaných cínových vousů (Tin Whiskers) (obr. 1) dochází u povrchů ošetřených např. galvanicky cínovými slitinami bez přítomnosti olova. Z nich spontánně rostou vlákna cínu, která dosahují značné délky a jsou například schopna zkratovat sousední vývody integrovaného obvodu. Vývody součástek se musí ošetřit slitinami s cínem kvůli snadné pájitelnosti a zatím jediný známý způsob, jak zabránit růstu těchto vláken, je příměs 3% olova ve slitině. Intenzivně se hledají nové postupy ochrany vývodů součástek se srovnatelnou pájitelnosti.

Pajene-spoje-a-jejich-spolehlivost-v-konstrukci-svitidel-1

Obrázek 1 Tin Whiskers[1]

2.2.2      Cínový mor

Nízkoteplotní degradace pájek, která vede při teplotách pod -13,2 °C k vytváření velkých zrn alfa cínu (práškovitý a s větším objemem) a následnému přerušení spoje (obr. 2). Nejrychleji tento proces probíhá okolo -30°C a jedinou obranou je přísada olova nebo vizmutu. Proces je znám také pod názvem cínový mor a má na svědomí zničení velkého množství historického cínového nádobí.

Pajene-spoje-a-jejich-spolehlivost-v-konstrukci-svitidel-2

Obrázek 2 Cínový mor [1]

2.2.3      Granulace cínu

Olovo v pájce zaručovalo její pružnost a plastičnost. Nové pájky bez olova tvoří křehké spoje a nesnášejí vibrace. Zvláště při pájení těžších součástek časem dojde ke vzniku „studeného spoje“ až k vydrolení a upadnutí spoje. Starší součástky, které nejsou Pb-free, zůstávají nepoužitelné, neboť při kontaminaci bezolovnaté pájky olovem vzniká mechanicky nespolehlivý spoj. Díky vyšší teplotě při pájení dochází i k vyššímu namáhání součástek. Tepelné a mechanické namáhání pájeného spoje způsobuje pomalé tečení pájky (creep) a vytváření zrn pájky, oddělených poruchami. Tyto poruchu se postupně shlukují, až způsobí přerušení pájeného spoje (obr. 3).

Pajene-spoje-a-jejich-spolehlivost-v-konstrukci-svitidel-3

Obrázek 3 Pájený spoj s poruchou po 600 cyklech[2]

Experimentální ověřování doby života spojů pájených bezolovnatou technologií se provádí dle normy JESP22-A104C. Deska je podrobena teplotním cyklům dlouhým 15 minut, během kterých se teplota desky mění v rozsahu -40°C až +150°C. Jsou to podmínky tvrdší, než je v praxi obvyklé, ale výsledky těchto testů jsou alarmující.

Pajene-spoje-a-jejich-spolehlivost-v-konstrukci-svitidel-4

Obrázek 4 Na svislé ose počet porouchaných spojů a na vodorovné ose počet cyklů. [2]

Z výsledků testů je dobře vidět výrazně vyšší odolnost pájky s obsahem olova.

 

2.3      Mechanické namáhání součástek na plošných spojích

Dnes je naprostá většina elektroniky vyráběna metodou osazování desek s plošnými spoji a u LED svítidel se tento postup používá i k montáži sestav LED. Plošné spoje se nejdříve osazovaly součástkami s drátovými vývody (Through-hole – TH), dnes se až na výjimky osazují součástkami pro plošnou montáž (Surface Mount Devices – SMD) (obr. 1). SMD montáž je z hlediska tepelného i mechanického namáhání plošného spoje i součástek podstatně kritičtější, protože odvod tepla probíhá především plochou desky.

Pajene-spoje-a-jejich-spolehlivost-v-konstrukci-svitidel-5

Obrázek 5 Plošný spoj se součástkami SMD i TH

Plošný spoj je tvořen jedním nebo více nosnými jádry a jednou či více vzájemně oddělenými vodivými vrstvami (viz obr. 2).

Pajene-spoje-a-jejich-spolehlivost-v-konstrukci-svitidel-6

Obrázek 6 Typy uspořádání plošných spojů

U vícevrstvých plošných spojů se jednotlivé vrstvy propojují tzv. prokovy, které mohou propojit libovolné vrstvy dohromady. Pokud je nutné použít součástku s vyšším ztrátovým výkonem, používá se větší množství prokovů v její těsné blízkosti, spojených s protilehlou vnější vrstvou, která funguje jako chladič (obr. 3)

Pajene-spoje-a-jejich-spolehlivost-v-konstrukci-svitidel-7

Obrázek 7 Typy prokovů

Pro součástky s velkým ztrátovým výkonem byl vyvinut plošný spoj s nosičem z mědi nebo hliníku, tzv. Thermalclad. (viz obr. 4).

Obrázek 8 Plošný spoj s kovovou nosnou vrstvou

Všechny uvedené varianty plošných spojů mají jedno společné – jsou složeny z materiálů s odlišnou tepelnou roztažností a při ohřívání či ochlazování dochází díky tomu k ohybu desky (obr. 5).

Obrázek 9 Vliv teploty na deformaci desky plošných spojů

Tyto ohybové momenty způsobují v pájených spojích i součástkách poměrně vysoké hodnoty mechanického napětí. Toto mechanické napětí se navíc cyklicky mění, což spolu s tepelným namáháním vede k postupné degradaci pájeného spoje.

3       Prevence

 

3.1      Technologie

Vývoj pájek a povlaků bez olova probíhá neustále a v literatuře je možné najít v tomto oboru stovky patentů. Vlastnosti bezolovnatých pájek se postupně zlepšují, ale je to za cenu vyšší spotřeby stříbra a dalších méně dostupných kovů. Nicméně spolehlivosti srovnatelné s olovnatými pájkami dosaženo nebylo. Je trochu s podivem, že navrhujeme svítidla s předpokládanou dobou života deset až dvacet let, ale pájené spoje v těchto svítidlech mohou při nevhodně zvolené pájce nebo nedodržené technologii pájení vydržet jen zlomek této doby. Pro výrobu svítidel s tepelně namáhanými spoji je nutné volit jiné typy pájek než pro výrobu spotřební elektroniky.

3.2      Konstrukce

Z výsledků experimentů i z fyzikální podstaty pájeného spoje je zřejmé, že čím bude menší rozsah teplot zařízení, tím bude doba života pájených spojů vyšší. Lze proto jen doporučit snahu o minimalizaci výkonových ztrát napájecí elektroniky a co nejlepší odvod tepla do okolí. Pro výkonové LED je proto výhodné řešení plošných spojů s přímým odvodem tepla do nosné kovové vrstvy (Sink-pad).

Z hlediska spolehlivosti pájených spojů se jeví jako velice problematické sestavy velkého množství LED na společné desce plošných spojů. Pravděpodobnost poruchy pájeného spoje na takové desce se násobí, stejně jako pravděpodobnost poruchy LED. Velká deska mimo to podléhá větším deformacím, což spolehlivost ještě zhoršuje.

Z hlediska omezení mechanického namáhání je vhodné co nejlepší mechanické spojení desky plošných spojů s chladičem. Ten musí být dostatečně pevný, aby zachytil namáhání od deformace desky plošných spojů. Lze jen doporučit oddělení jednotlivých LED dilatační drážkou.

3.3      Návrh svítidla, volba světelného zdroje

Pájený spoj v blízkosti LED je obvykle nejvíce tepelně a mechanicky namáhaným spojem v celém svítidle. Pokud je to možné, je výhodně místo jedné či více LED použít COB, což je sestava LED na destičce z teplovodivé keramiky, připojená obvykle mechanickými kontakty. Toto řešení je díky vyloučení nejnamáhanějších pájených spojů výrazně spolehlivější.

4       Závěr

 

Příspěvek poukázal na rizika, spojená s bezolovnatým pájení v konstrukci svítidel. Lze konstatovat, že při dodržení několika pravidel lze tato rizika omezit na přijatelnou míru. Dosažení spolehlivosti olovnatých pájek je stále mimořádně obtížné.

 

Literatura a odkazy

[1]      Lead-free Electronics Reliability -An UpdateAndrew D. Kostic, Ph. D., TheAerospaceCorporationGEOINT DEVELOPMENT OFFICEAugust 2011

[2]      ResultsofComparative Reliability Tests on Lead-free SolderAlloys, Günter Grossmann, Giovanni Nicoletti, UrsinSolèr, SwissFederal Institute forMaterialsTesting and Research EMPA

[3]      Reliability ofLead-Free SolderJoints, John H. Lau, ASME Fellow, Agilent Technologies, Inc.

[4]      Reliability ofSnAgCuSolderJointsunderThermo-MechanicalStresses, Sam Nurmi, Tampere university of technology

[5]      Assessmentof Long-term Reliability in Lead-free Assemblies, SankaGanesan, Ji Wu, and Michael Pecht, CALCE ElectronicProducts& Systems Center, University of Maryland

Leave a Comment

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Cookies help us deliver our services. By using our services, you agree to our use of cookies. More Information