فهرست مطالب
تحلیل شکست اتصال سیمی: ترکیبات بین فلزی، خوردگی و خستگی در سیستمهای فلزی متنوع
ترکیبات بین فلزی (IMC)
۳ مکانیسم کلیدی خرابی IMC
شکنندگی و شکستگی
تخلیه کیرکندال
“طاعون بنفش”بازنگری شده»
عواملی که رشد IMC را تسریع میکنند:
- دما: این مهمترین عامل از همه است. هر دمایی که کمی بالاتر از مشخصات طراحی باشد، میتواند باعث افزایش نمایی در IMCها شود.
- زمان: قرار گرفتن طولانی مدت در معرض شرایط دمایی بالا، اگرچه این شرایط میتواند متوسط باشد.
- چگالی جریان: جریانهای بالا میتوانند باعث مهاجرت الکتریکی شوند که به طور قابل توجهی در انتشار اتمها و تشکیل حفرهها نقش دارد.
خوردگی
- شرایط محیطی: دما، رطوبت و وجود گازهای خورنده (H₂S، SO₂، Cl₂).
- آلایندهها: باقیماندههای یونی فرآیندهای تولیدی مانند کلریدها و برمیدها.
- بایاس الکتریکی: ولتاژ اعمال شده میتواند باعث مهاجرت الکتروشیمیایی و واکنشهای خوردگی شود.
- خواص مواد: ویژگیهای ذاتی مقاومت در برابر خوردگی مواد سیم و پد مورد استفاده.
انواع خوردگی در اتصالات سیمی
خوردگی گالوانیک (الکتروشیمیایی):
- علت: این اتفاق زمانی میافتد که دو فلز مختلف، مانند آلومینیوم و طلا، در حضور محلول الکترولیت، مانند رطوبت با آلودگی یونی، با یکدیگر تماس پیدا کنند. فلزی که نجیبیت کمتری دارد، دچار خوردگی میشود.
- حالت شکست اتصال سیم: برای یک سیم طلا که به یک پد آلومینیومی متصل شده است، پد آلومینیومی به صورت فداشونده خورده میشود و یک لایه اکسید نارسانا ایجاد میکند. این امر منجر به افزایش مقدار مقاومت و در نتیجه شکست در پیوند میشود. این یک مشکل قابل توجه در مورد پدهای آلومینیومی و سیمهای طلا است.
خوردگی حفرهای:
- علت: خوردگی موضعی که با از بین رفتن جزئی لایه اکسید روی سطح فلز ایجاد میشود و معمولاً توسط یونهای کلرید ایجاد میشود.
- حالت شکست اتصال سیم: اتصالات سیم مسی به دلیل احتمال ایجاد حفره روی سیم توسط یک نوع آلاینده کلریدی، که باعث ایجاد افزایش تنش میشود و از آنجا ترک ایجاد میکند و در نهایت با چرخههای دمایی منجر به شکستگی سیم میشود، از بین خواهند رفت.
خوردگی شکافی:
- علت: نوعی حمله موضعی در یک ناحیه محافظتشده و راکد، مانند زیر یک ذره آلودگی یا در ناحیهای که چسبندگی ضعیفی بین سیم و ... دارد. ترکیب کپک.
- حالت شکست اتصال سیم: محبوس شدن رطوبت در این ریزشکافها منجر به ایجاد محیطی اسیدی و خورنده میشود. دلیل این امر آن است که اسیدیته تولید شده منجر به خوردگی در سطح مشترک اتصال سیم میشود؛ بنابراین، ممکن است به دلیل ناحیه ضعیف پاشنه سیم که در حین بازرسی قابل مشاهده نیست، خرابی رخ دهد.
خوردگی بین دانهای (IGC):
- علت: خوردگی ترجیحی در امتداد مرز دانهها در یک فلز، که اغلب به دلیل واکنشپذیری ناشی از جداسازی ناخالصیها ایجاد میشود.
- حالت شکست اتصال سیم: این احتمال برای پدهای اتصال آلومینیومی وجود دارد اگر تکنیک متالیزاسیون به طور کامل بهینه نشده باشد. خود پد اتصال ممکن است به دلیل IGC تخریب شود و منجر به جدا شدن و از بین رفتن اتصال شود. حفره دار شدن پد.
ترک خوردگی ناشی از خوردگی تنشی (SCC):
- علت: اثر نیروهای کششی همراه با محیط خورنده باعث ایجاد ترکهای ترد در ماده و پیشرفت آنها میشود.
- حالت شکست اتصال سیم: SCC میتواند در اتصالات سیمهای پیشتنیده، به ویژه در بستههایی با تنشهای پسماند بالا به دلیل جنس و فرآیند کپسولهسازی، یک نگرانی باشد، هرچند بعید است. در یک محیط خورنده، یک سیم میتواند ناگهان با حالت شکست ترد، که تنها با کمی افزایش طول همراه است، دچار شکست شود.
خوردگی یکنواخت:
- علت: یک حمله شیمیایی عمومی، مانند اکسیداسیون، که به طور یکنواخت در کل سطح فلز توزیع شده است.
- حالت شکست اتصال سیم: این امر در سیمهای آلومینیومی به شکل رشد تدریجی اکسید آلومینیوم که منجر به افزایش مقاومت الکتریکی سیمها میشود، و در سیمهای مسی به شکل لایهای از اکسید مس که میتواند رسانایی و چسبندگی را نیز کاهش دهد، قابل مشاهده است.
انواع مواد و ویژگیهای خوردگی آنها در اوراق قرضه سیمی
- طلا (Au)این میتواند با سایر فلزات آلومینیوم که ممکن است ناپایدار باشند، جفت شود. دلیل این امر این است که این فلزات در نهایت هر زمان که با رطوبت تماس پیدا کنند، سطح اتصال را دچار خوردگی میکنند.
- آلومینیوم (آلومینیوم): این لایه در حضور رطوبت و سایر فلزات مستعد خوردگی گالوانیک است. رسوبات اکسیدی میتوانند استحکام اتصال فلز آلومینیوم را کاهش دهند. رسوبات سطح اکسید بر عملکرد الکتریکی در حین اتصال تأثیر میگذارند.
- مس (Cu)مس دارای خواص اکسیدی است و در شرایط شدید با رطوبت و گوگرد موجود در جو، میتواند مستعد تشکیل سولفید باشد. حتی اگر اکسید مس تشکیل شود، سولفیدها ممکن است از دیگر علل شکست پیوند، به ویژه با رطوبت، باشند. اکسید مس از نظر قابلیت اطمینان در خود فصل مشترک پیوند، یک مشکل است.
- نقره (Ag): به دلیل تشکیل ترکیبات گوگردی، که منجر به تشکیل لایه سولفید نقره میشود، مستعد کدر شدن است و در نتیجه منجر به افزایش مقدار مقاومت پیوند میشود. از آنجایی که کدر شدن میتواند در صورت زیاد بودن ترکیبات گوگردی سریع باشد، باید محدودیتهایی در محیطهای آزمایش اعمال شود.
| مواد | مزایای کلیدی | چالشهای اصلی | عوامل قابلیت اطمینان |
| آلومینیوم | اتصال آسان و مقرون به صرفه | ترکیبات بین فلزی با طلا، خوردگی متوسط | خوردگی خفیف، خستگی |
| طلا | شکلپذیر و مقاوم در برابر خوردگی | ترکیبات بین فلزی گرانقیمت با آلومینیوم | خستگی عالی، خوردگی کم |
| مس | رسانایی بالا، هزینه کم | مستعد خوردگی، مشکل در اتصال | خطر خوردگی بالا، سخت شدن |
| نقره | رسانایی خوب، قابلیت اطمینان امیدوارکننده | دادههای محدود، خدشهدارکننده | خوردگی متوسط، خستگی کمتر اثبات شده |
خستگی مکانیکی و حرارتی
ترک پاشنه پا
- علت ریشهای: حرکت نسبی ناشی از تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی بین تراشه سیلیکونی، سیم اتصال و زیرلایه به دلیل فرآیند چرخههای حرارتی است. این حرکت دورهای باعث ایجاد تنشهای خمشی چرخهای بر روی پاشنه سیم میشود که در نهایت منجر به تشکیل میکروترکها و یک حالت شکست معمول در ناحیه پاشنه سیم میشود.
شکستن گردن (پیوندهای توپی):
دهانهزایی:
تحلیل شکست در اتصال سیمی
آنالیز غیر مخرب (NDA):
- آزمایش الکتریکی: این به تعیین نوع خرابی (باز، مقاومت بالا، میانبر) و جداسازی شبکه/پیوند معیوب کمک میکند.
- اشعه ایکس تصویربرداری: عیوب داخلی مانند سیمپیچ، پارگی سیم، اتصال کوتاه و بینظمیهای گوی/گوه را میتوان بدون باز کردن بستهبندی تشخیص داد.
- میکروسکوپ صوتی روبشی C-Mode (C-SAM): این روش از بازرسی اولتراسونیک برای جستجوی لایه لایه شدن سطح مشترک، شواهدی از ترکهای داخلی و حفرههای درون بستهبندی، به ویژه در سطوح مشترک شامل ترکیب قالب و تراشه یا قاب سربی، استفاده میکند.
آنالیز فیزیکی مخرب (DPA):
- کپسولزدایی: فرآیندی برای حذف ترکیب کپک با استفاده از مواد شیمیایی/پلاسما به منظور مشاهده پیوندهای قالب و سیم.
- میکروسکوپ نوری: اول بازرسی بصری با هدف تعیین محل شکست و تعیین ویژگیهای آن، مانند تغییر رنگ، پیوند برداشته شده و پارگی سیم.
- میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM): این روش تصاویر دقیق و با بزرگنمایی بالا از محل شکست ارائه میدهد که معیار مهمی برای مطالعه شکست مواد شکلپذیر در مقابل مواد شکننده و همچنین مسیرهای خالی میکروسکوپی است. [3]
- طیفسنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDS): همزمان با SEM برای آنالیز ترکیب عنصری در یک ناحیه انتخاب شده استفاده میشود. این یک ابزار کلیدی برای تأیید وجود اجزای بین فلزی (نسبت Au-Al)، محصولات خوردگی (اکسیژن با آلومینیوم، گوگرد با نقره) و آلایندههای یونی (کلر و پتاسیم) است.
تکنیکهای کاهش خوردگی در اتصال سیمی
انتخاب و تطبیق مواد:
- در اتصال با قابلیت اطمینان بالا، از سیمهایی غیر از Au-Al استفاده کنید., کاربردهای دما بالا. این ممکن است شامل اتصال آلومینیوم به آلومینیوم و استفاده از سیم مسی با روکش پالادیوم به جای سیم مسی لخت باشد زیرا محافظت بهتری در برابر اکسیداسیون و خوردگی آلومینیوم دارد.
- از ترکیبات کپک با آلودگی یونی کم و میزان جذب رطوبت پایین استفاده کنید.
بهینهسازی فرآیند:
- ایجاد یک پنجره فرآیند قوی در رابطه با نیروهای پیوند، انرژی، مدت زمان و دما به طوری که پیوندی قوی بدون هیچ گونه آسیبی به ویفر و با حداقل رشد اولیه ترکیب بین فلزی تشکیل شود.
- کنترل دقیق محیط تولید در برابر آلودگی یونی و قرار گرفتن در معرض رطوبت.
موانع حفاظتی:
- استفاده کنید پوششهای محافظ برای مثال، روی پدهای اتصال،, نیکل بدون برق/الکترولس پالادیوم/Immersion Gold، که سطحی صاف، مقاوم در برابر خوردگی و قابل اتصال ارائه میدهد.
- با یک آببندی محکم یا تقریباً محکم در برابر رطوبت و آلایندهها، یک فرآیند کپسولهسازی قوی را تضمین کنید.
طراحی برای قابلیت اطمینان (DfR):
- بهینه سازی شکل حلقه سیم برای کاهش فشار اتصال پاشنه.
- باید قوانین طراحی پد اتصال را رعایت کند تا پایه محکمی برای اتصال تضمین شود.
نتیجهگیری
سوالات متداول در مورد خرابیهای اتصال سیم
واکنشپذیری مس با ترکیبات اکسیژن و گوگرد به راحتی خورده میشود. پیوندهای مسی به ویژه هنگامی که در تماس با عوامل محیطی مانند رطوبت و گرد و غبار قرار میگیرند، مستعد خوردگی هستند. در صورت افزودن فلزات غیرمشابه، خوردگی گالوانیک میتواند رخ دهد.
طلا و مس هر دو به دلیل رسانایی خوبشان، مواد رایج برای اتصال سیمی در کاربردهای توان بالا و فرکانس بالا هستند. نقره نیز به دلیل تمایل به کدر شدن، کاربرد محدودی به عنوان ماده اتصال فرکانس بالا یا توان بالا دارد. با این حال، در نهایت باید مواد بر اساس هزینه، رسانایی و پایداری در شرایط محیطی تهیه شوند.
خرابیهای اتصال سیمها، بهویژه در مورد خوردگی و خستگی در سیستمهای مدیریت باتری، خطرآفرین هستند که میتوانند باعث اتصال کوتاه یا گرمای بیش از حد در وسایل نقلیه الکتریکی شوند و به اضطراب در پیمایش مسافت و مسائل ایمنی دامن بزنند که با گذار به حملونقل تجدیدپذیر در سطح جهانی تشدید شدهاند.
گرم و سرد شدن مواد باعث انبساط و انقباض مواد میشود و تنشهای مکانیکی در سطح اتصال ایجاد میکند. ممکن است ترک خوردگی ناشی از خستگی، شکستن پاشنه یا جدا شدن پیوند به دلیل چرخههای حرارتی رخ دهد که یکپارچگی مکانیکی پیوند را به خطر میاندازد.
دریافت قیمت
وبلاگهای مرتبط
Table of Contents Design Rule Checking in PCB Design: From Altium DRC to SMT Assembly Published on September 10, 2024 · Updated on October 22,
Table of Contents Automotive PCB Assembly: The Complete 2026 OEM Guide Failure of a consumer good is a warranty claim. Failure of an automotive printed
Table of Contents Medical PCB Assembly: The Complete Guide for Medical Device OEMs Medical PCB Assembly is not a commodity process. It is a very
Table of Contents Drone PCB Design and Manufacturing: A Complete Guide for UAV Engineers This article was originally published in March 2024 and last updated
Table of Contents Security Camera PCBA Design Guide: Day/Night Switching and Infrared LED Driver Why Security Camera PCBA Design Matters for Day/Night Operation A security
Table of Contents AgTech Case Study: Manufacturing 2,000+ Agricultural Sensor Devices from Prototype to Production Designing an electronic prototype to large-scale production requires more than