Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Vid högre temperaturer, som de som uppstår under produktionen av minnesmoduler, är ett av de största problemen för många material deras benägenhet att deformeras. En typisk metod för att motverka denna deformation är att använda material med låg termisk expansionskoefficient (CTE), som epoxilim, UF (uretanformaldehyd) eller grafen. Dessa material hjälper till att hålla stabiliteten i minnesmodulerna när de utsätts för temperaturer upp till 260 °C. Dock är det en betydande utmaning att hitta ett epoxilim (EMC), UF eller grafen som har rätt balans mellan CTE, krympningshastighet och elasticitetsmodul. Det krävs noggrant val av material som inte bara erbjuder stabilitet under höga temperaturer utan även bibehåller hållbarheten och prestandan i minnesenheterna över tid.
En annan viktig aspekt att beakta är flexural hållfasthet och de mekaniska påfrestningarna som påverkar materialet vid användning i handhållna enheter. Här behövs en materiallösning med hög termisk ledningsförmåga för att sprida värme effektivt samtidigt som den bibehåller lägre CTE för att förhindra ytterligare deformation. För att uppnå detta, krävs innovativa kombinationer av EMC, UF och grafen, där varje material tillför specifika fördelar när det gäller mekaniska och termiska egenskaper. De nya materialen måste uppfylla de strikta krav på paketstyrka och termisk effektivitet som ställs på applikationer som SSD BGA-paket i bärbara enheter.
Sammanfattningsvis finns det tre huvudsakliga tekniska utmaningar som måste lösas vid utveckling av material som grafen och andra alternativ som höljen för att minska termiska och mekaniska påfrestningar: För det första behövs ett material med hög termisk ledningsförmåga men samtidigt låg CTE. För det andra måste materialen bibehålla låg alpha-emissivitet (reflekterande förmåga för värme) samtidigt som de erbjuder hög termisk ledningsförmåga och låg krympningshastighet. För det tredje är det viktigt att minska de mekaniska påfrestningarna och förbättra vidhäftningen för att säkerställa långvarig hållbarhet i miniatyriserade passiva kapslingar, särskilt för SSD BGA-paket. Vid utveckling av minnespaket måste alla dessa material uppfylla minimikraven för paketets tillförlitlighet som definieras av standarderna AEC Q104 och JEDEC innan de kan släppas till produktion för massproduktion.
Det är också avgörande att beakta att minnespaket i handhållna enheter och andra applikationer utsätts för både temperaturvariationer och mekaniska belastningar under användning, vilket gör att materialens långsiktiga hållbarhet är av yttersta vikt. Den framtida utvecklingen av grafen och andra nanomaterial kommer sannolikt att spela en central roll i att möjliggöra både högre prestanda och bättre tillförlitlighet i dessa system.
Förutom de tekniska aspekterna av materialval, måste man också förstå hur dessa material kommer att samverka med andra komponenter i systemet. Det innebär att inte bara den termiska och mekaniska prestandan måste optimeras, utan även kompatibiliteten med produktionsprocesserna, så att materialvalen inte leder till ineffektiviteter eller höga produktionskostnader. Den teknologiska utvecklingen inom detta område är därför både en teknisk och ekonomisk utmaning, där varje framsteg inom materialvetenskapen potentiellt kan ge stora fördelar för den bredare elektronikindustrin.
Hur har utvecklingen av blyfria lödlegeringar förändrat elektronisk tillförlitlighet inom fordonsindustrin?
Blyfria lödlegeringar har använts i stor utsträckning inom industrin sedan införandet av RoHS-direktivet 2002/95/EG 2003. Syftet med denna lagstiftning var att hitta alternativ för att ersätta den traditionella tenn-bly-eutektoidlegeringen (Sn–Pb 63/37) för att minska elektroniskt avfall och minimera miljörisker. Sedan 2006 har tenn-silver-koppar (SAC)-legeringar blivit erkända som de främsta alternativen. Särskilt Sn3.0Ag0.5Cu (SAC305), Sn3.8Ag0.7Cu (SAC387) och Sn4.0Ag0.5Cu (SAC405) har fått stor uppmärksamhet både inom akademin och industrin.
Första generationens SAC-legeringar har dock visat sig ha vissa begränsningar. För det första innebär den höga mängden silver (Ag) i legeringarna att produktionskostnaden blir för hög. Till exempel krävs det 1 ounce silver för att producera 1 kg SAC305, vilket gör att silverpriserna utgör cirka 58 % av försäljningspriserna för legeringarna. Dessutom har man funnit att den mekaniska hållfastheten hos dessa legeringar inte är tillräcklig för att säkerställa långsiktig tillförlitlighet i vissa elektroniska produkter, särskilt i de sammanhang där produkter utsätts för falltester och andra påfrestningar.
För att förbättra både dropptålighet och kostnadseffektivitet har andra generationens SAC-lödlegeringar utvecklats, där mängden silver har minskats. Till exempel har legeringar som Sn1.0Ag0.5Cu (SAC105), Sn0.3Ag0.7Cu (SAC0307) och Sn1.2Ag0.5Cu0.05Ni (SAC125Ni eller LF35) blivit populära val. Dessa legeringar ger en förbättrad dropptålighet, men har å andra sidan kompromissat med den termiska tröttheten, vilket innebär att de inte håller lika bra vid temperaturcykling i långvariga tester.
Vid högre temperaturer sker en så kallad "Ag3Sn-koarsning", där små silverpartiklar växer över tid och gör att legeringens strukturella integritet försämras. Denna process, känd som Ostwalds ripening, minskar legeringens förmåga att motstå dislokationer och därmed försämras hållfastheten. Denna effekt är särskilt problematisk i applikationer som kräver att lödningarna ska hålla vid extrema temperaturer under lång tid, som inom fordonsindustrin och rymdindustrin.
Den tredje generationens blyfria lödlegeringar har utvecklats för att lösa dessa problem, där Innolot, en legering bestående av SAC387 med tillsatser av 3 viktprocent Bi, 1,5 viktprocent Sb och 0,15 viktprocent Ni, är ett exempel. Tillsatser av Bi och Sb används för att stärka lödlegeringen genom en solid-lösning härdningseffekt. Forskning har visat att dessa legeringar erbjuder bättre mekaniska egenskaper och ökad hållbarhet än sina föregångare, vilket gör dem mer lämpade för applikationer där hög tillförlitlighet och lång hållbarhet krävs.
För att ytterligare förbättra pålitligheten hos lödningarna har flera metoder testats. En av dessa är att justera reflow-processen för att påverka tjockleken på intermetalliska föreningar (IMC) mellan lödlegeringen och de elektroniska komponenterna. Ökad användning av underfyllning och konformbeläggningar har visat sig också förbättra lödningarnas hållbarhet, men dessa metoder ökar både kostnaden och komplexiteten i tillverkningsprocessen.
Inom fordonsindustrin har kraven på elektroniska komponenter blivit alltmer stränga. Förutom den traditionella fokuseringen på dropptålighet har det blivit allt viktigare att lödningarna tål termisk cykling och kan bibehålla sin integritet även vid extremt höga och låga temperaturer. För bilar och andra fordon är det också avgörande att komponenterna fungerar felfritt under hela bilens livslängd, vilket ställer stora krav på lödningarnas hållbarhet.
Ett nytt fokus är också på elektronikens beteende vid långvarig användning, som när en telefon används under längre perioder och utsätts för böjningsbelastningar. Här spelar flexmodul och layout av dies inom minnespaketen en viktig roll för att uppnå den önskade hållfastheten och minimera risken för sprickbildning.
Vad som blir allt viktigare för både konsument- och fordonsindustrin är en balanserad kombination av mekaniska egenskaper och kostnadseffektivitet. I och med att elektronikens tillämpningar sprider sig från mobiltelefoner till bilindustrin och autonoma fordon, fortsätter utvecklingen av lödlegeringar att vara en avgörande faktor för att säkerställa långsiktig tillförlitlighet och hållbarhet.