فهرست مطالب

• پاسخ کوتاه
• تفاوت های فنی
• چرا PCBA های کنترل موتور با چالش های منحصر به فردی روبرو هستند؟
• زمانی که باید از بدون سرب استفاده کنید
• وقتی می توانید لحیم کاری سرب دار را توجیه کنید (معافیت ها)
• ملاحظات مولفه حیاتی
• بهترین روش ها برای PCBA کنترل موتور بدون سرب
• سوالات متداول
• ماتریس تصمیم

پاسخ کوتاه: این بستگی به برنامه شما دارد

با 20 سال تجربه در الکترونیک قدرت و تجزیه و تحلیل خرابی در درایوهای صنعتی، کنترل‌کننده‌های EV، و سیستم‌های سروو، نحوه تصمیم‌گیری‌های لحیم کاری را مستند کرده‌ام که چگونه قابلیت اطمینان کنترل موتور را می‌سازد یا از بین می‌برد. این راهنما داده های مهندسی، جداول مقایسه ای و توصیه های آزمایش شده در میدان را ارائه می دهد.

لحیم کاری بدون سرب برای اکثر محصولات تجاری کنترل موتور که به بازارهای تحت نظارت (اتحادیه اروپا، چین، کره) ارسال می شوند، اجباری است. با این حال، برای کاربردهای زیر کاپوت خودرو، هوافضا، و درایوهای صنعتی خاص که قابلیت اطمینان الزامات نظارتی را لغو می کند، معافیت هایی وجود دارد.

تفاوت های فنی: لحیم کاری سرب در مقابل لحیم کاری بدون سرب

درک خواص مواد توضیح می دهد که چرا این تصمیم برای PCBA های کنترل موتور اهمیت دارد.

ترکیب آلیاژ و نقاط ذوب

مقایسه قابلیت اطمینان مکانیکی

چرا PCBA های کنترل موتور با چالش های لحیم کاری منحصر به فرد روبرو هستند؟

مجموعه های کنترل موتور فشارهایی را تجربه می کنند که اکثر PCB ها هرگز با آن مواجه نمی شوند. این سه عامل انتخاب لحیم کاری را حیاتی می کند.

1. محیط های ارتعاش بالا

کنترل‌کننده‌های موتور که مستقیماً روی پمپ‌ها، کمپرسورها یا خودروهای الکتریکی نصب می‌شوند، تحریک مکانیکی مداوم را تجربه می‌کنند. یک مطالعه مستند، PCBA های یکسان را با لحیم کاری سرب در مقابل لحیم بدون سرب مقایسه کرد:

- مجموعه رهبری شده:اولین شکست پس از 40 ساعت لرزش تصادفی 6 گرمی (شکستگی جزئی پا)

- مونتاژ بدون سرب:همان حالت خرابی تنها پس از 4 ساعت لرزش یکسان

علت؟ لحیم کاری بدون سرب باعث کاهش شکل پذیری می شود. هنگامی که مفصل نمی تواند خم شود، تنش ارتعاشی روی سرب جزء متمرکز می شود و باعث شکستگی زودرس می شود.

2. دوچرخه سواری حرارتی شدید

درایوهای موتور گرما تولید می کنند. سپس موتورها متوقف می شوند. سپس دوباره شروع می کنند. یک درایو صنعتی معمولی هزاران بار از -40 درجه سانتیگراد تا +125 درجه سانتیگراد می چرخد.

لحیم کاری سرب دارعدم تطابق CTE (ضریب انبساط حرارتی) بین اجزا و PCB را از طریق شکل پذیری در نظر می گیرد.

لحیم کاری بدون سربترکیبات بین فلزی ضخیم تر و شکننده تر (IMCs) را در سطح مشترک ایجاد می کند. رشد بیش از حد IMC رابط را ضعیف می کند و شروع کرک را تسریع می کند.

3. جریان بالا و گرمایش ژول

PCBA های کنترل موتور جریان های پیوسته را از 5A تا 200A+ حمل می کنند. هر اتصال لحیم کاری خود گرمایشی را از تلفات I²R تجربه می کند.

تفاوت اصلی مقاومت نیست، بلکه نحوه مدیریت استرس چرخه حرارتی در طول زمان است.

زمانی که باید از لحیم کاری بدون سرب استفاده کنید

الزامات نظارتی فضای کمی برای انتخاب در این سناریوها باقی می گذارد.

بازارهای سازگار با RoHS

اتحادیه اروپا، چین، کره جنوبی و بسیاری از حوزه های قضایی دیگر سرب در الکترونیک را به 0.1 درصد وزن مواد همگن محدود می کنند. محصولات فروخته شده در این بازارها باید از لحیم کاری بدون سرب استفاده کنند مگر اینکه معافیت خاصی اعمال شود.

کنترل موتورهای مصرفی و تجاری

لوازم خانگی (ماشین لباسشویی، فن های HVAC، کمپرسور یخچال)

ابزارهای برقی با درایوهای موتور

کنترلرهای HVAC تجاری

رباتیک برای مصارف غیر صنعتی

تولید صادراتی

اگر PCBAهای کنترل موتور را برای توزیع جهانی تولید می کنید، حفظ خطوط تولید جداگانه سرب و بدون سرب باعث پیچیدگی موجودی و خطرات کیفیت می شود. پردازش یکپارچه بدون سرب انتخاب عملی است.

وقتی می توانید لحیم کاری سرب دار را توجیه کنید (معافیت ها)

برخی از برنامه های کاربردی برای معافیت های RoHS واجد شرایط هستند یا به طور کامل از محدوده مقررات خارج می شوند.

لوازم الکترونیکی زیر کاپوت خودرو

معافیت 7(c)-I(حداقل تا سال 2026 اعتبار دارد) اجازه سرب در الکترونیک خودروهای با قابلیت اطمینان بالا را می دهد که در آن جایگزین های بدون سرب فاقد قابلیت اطمینان اثبات شده هستند.

داده های دنیای واقعی از تامین کنندگان Tier-1 نشان می دهد:

• اتصالات بدون سرب در واحدهای کنترل موتور، شروع زودتر ترک را تحت سیکل حرارتی نشان می دهد
• تشکیل سبیل قلع روی روکش های قلع خالص خطرات اتصال کوتاه را در ECU های مهر و موم شده ایجاد می کند.
• بسیاری از OEM های خودرو به لحیم کاری سرب برای ماژول های حیاتی ایمنی ادامه می دهند

هوافضا و نظامی

معافیت کامل لحیم کاری بدون سرب برای کاربردهای هوانوردی، دفاعی یا فضایی مورد نیاز نیست. این بخش‌ها بر اساس دهه‌ها داده‌های قابلیت اطمینان به استفاده از Sn63/Pb37 ادامه می‌دهند.

درایوهای موتور صنعتی (بیش از 10 سال مورد نیاز)

هنگامی که یک کنترل کننده موتور باید برای بیش از 15 سال در یک کارخانه بدون تهویه هوا (20- تا 70 درجه سانتیگراد محیط) کار کند، لحیم کاری سربی گزینه محافظه کارانه باقی می ماند. داده های خستگی حرارتی طولانی مدت برای بدون سرب در این شرایط هنوز در حال توسعه است.

تجهیزات پزشکی (غیرقابل کاشت)

برای بسیاری از دستگاه های الکترونیکی پزشکی که قابلیت اطمینان مستقیماً بر ایمنی بیمار تأثیر می گذارد، معافیت هایی وجود دارد.

تعمیر و تعویض قطعات

PCBAهای جایگزین برای تجهیزات لحیم سربی موجود باید از لحیم کاری سرب برای حفظ سازگاری متالورژیکی با اتصالات و اجزای موجود استفاده کنند.

ملاحظات اجزای حیاتی برای PCBA کنترل موتور

همه قطعات دمای لحیم کاری بدون سرب را تحمل نمی کنند. این پنج دسته نیاز به توجه ویژه دارند.

1. اجزای حساس به دما

جریان مجدد بدون سرب در دمای 245 درجه سانتی گراد تا 260 درجه سانتی گراد به اوج خود می رسد - بطور قابل توجهی بالاتر از دمای 220 درجه سانتی گراد تا 230 درجه سانتی گراد.

2. اجزای با تمام قلع خالص

روکش‌های قلع خالص (معمول در اجزای بدون سرب) می‌توانند در طول زمان سبیل‌های رسانا را رشد دهند - این یک خطر حیاتی برای کنترل‌های موتور با فاصله کم قطعات است.

استراتژی های کاهش:

- به جای قلع خالص، روکش های NiPdAu یا مات قلع بیسموت را مشخص کنید

- روی تمام اتصالات لحیم کاری روکش منسجم اعمال کنید

- از قلع خالص روی قطعات در مناطق با تراکم بالا خودداری کنید

3. موجودی موجود از اجزای سرب

استفاده از اجزای لحیم کاری سرب (به عنوان مثال، سرب های پوشش داده شده با SnPb) در یک فرآیند مونتاژ بدون سرب باعث ایجادناسازگاری فرآیند:

پایان قطعه در دمای 183 درجه سانتیگراد ذوب می شود، اما لحیم کاری بدون سرب به دمای 245 درجه سانتیگراد + نیاز دارد.

ممکن است قسمت پایانی قبل از تشکیل اتصال لحیم اکسید یا حل شود

نتیجه: اتصالات نامطمئن، نقص سر در بالش، و خرابی در میدان

قانون:از اجزای دارای رتبه بندی برای فرآیند لحیم کاری که آنها تجربه خواهند کرد استفاده کنید.

بهترین روش ها برای PCBA کنترل موتور بدون سرب

اگر نیاز به بدون سرب باشد، این شیوه‌ها قابلیت اطمینان را به حداکثر می‌رسانند.

انتخاب پایان سطح PCB

توصیه:ENIG بهترین خیس شدن و طولانی ترین ماندگاری را برای مونتاژ بدون سرب فراهم می کند.

بهینه سازی نمایه Reflow

یک پروفیل جریان مجدد بدون سرب بهینه سازی شده ضعیف باعث ایجاد مفاصل سرد، حفره ها و IMC های شکننده می شود.

کاهش لرزش برای مفاصل بدون سرب

با توجه به کاهش انعطاف پذیری بدون سرب در ارتعاش، این مراحل اضافی را انجام دهید:

1. گلدان / کپسولاسیون:محفظه اطراف قطعات با جرم بالا (اتصال دهنده ها، ترانسفورماتورها، خازن های بزرگ) را با ترکیب گلدان سیلیکونی یا یورتان پر کنید. این تنش ارتعاشی را از اتصالات لحیم خارج می کند.

2. اجزای چسبنده:از چسب اپوکسی یا سیلیکونی در زیر دستگاه های نصب شده روی سطح بزرگ (القاگرها، خازن های آلومینیومی) استفاده کنید.

3. کاهش ارتفاع توقف قطعه:اجزای بلند با سرنخ های بلند به عنوان اهرم لرزش عمل می کنند. در صورت امکان اجزای کم مشخصات را مشخص کنید.

سوالات متداول PCBA کنترل موتور

در زیر سه سوال فنی از طراحان موتور محرکه و مهندسان تولید وجود دارد.

Q1: من در حال طراحی یک کنترل کننده موتور خودروی الکتریکی برای تامین کننده خودرو Tier-1 هستم. آیا می توانم از لحیم کاری بدون سرب استفاده کنم؟

الف:بله، اما با تست صلاحیت قابل توجه. اکثر تامین کنندگان خودرو Tier-1 در حال حاضر از لحیم کاری بدون سرب برای طراحی های جدید استفاده می کنند، زیرا مطابق با RoHS برای خودروهای بازار اتحادیه اروپا مورد نیاز است. با این حال، برای لوازم الکترونیکی زیر هود که داده‌های قابلیت اطمینان بدون سرب ناقص باقی می‌مانند، معافیت‌هایی وجود دارد.

طرح صلاحیت شما باید شامل موارد زیر باشد:

توصیه های کاربردی:بسیاری از OEM های خودرو با استفاده از معافیت RoHS موجود، لحیم کاری سربی را برای ECU های زیر هود مشخص می کنند. قبل از اینکه بدون سرب متعهد شوید با مشتری خود بحث کنید. اگر بدون سرب اجباری است، پرداخت سطح ENIG و پوشش منسجم را برای همه مجموعه ها مشخص کنید.

Q2: درایو موتور صنعتی من پس از 18 ماه با اتصالات لحیم کاری ترک خورده در ماسفت های شش گانه قدرت شکست خورد. این مجموعه از لحیم کاری بدون سرب SAC305 استفاده می کند. چه مشکلی پیش آمد؟

الف:این یک شکست خستگی حرارتی کلاسیک است. در اینجا دنباله تشخیصی است:

مرحله 1 - مکان های ترک را بررسی کنید:زیر میکروسکوپ، به رابط بین سرب ماسفت و فیله لحیم نگاه کنید. اگر ترک در امتداد لایه ترکیب بین فلزی (IMC) اجرا شود، IMC در طول جریان مجدد بیش از حد ضخیم می شود.

مرحله 2 - نمایه جریان مجدد خود را مرور کنید:برای SAC305، زمان بالای مایع (TAL) باید حداکثر 60 تا 90 ثانیه باشد. اگر TAL شما بیش از 120 ثانیه باشد، ضخامت IMC می تواند از 10 میکرومتر بیشتر شود (ناحیه شکننده بالاتر از 5 میکرومتر شروع می شود).

مرحله 3 - افزایش دما را در پد تخلیه ماسفت اندازه گیری کنید:با یک دوربین مادون قرمز، دمای پد را در بار کامل اندازه گیری کنید. اگر بیش از 110 درجه سانتیگراد باشد، دلتای چرخه حرارتی (ΔT) خیلی بزرگ است.

مرحله 4 - نصب تک نقطه ای را بررسی کنید:ماسفت‌های قدرتمند با پدهای حرارتی بزرگ (DPAK، D2PAK، TO-263) که فاقد ورودی‌های حرارتی هستند یا دارای حفره‌هایی در زیر پد هستند، نقاط داغ را تجربه می‌کنند. اشعه ایکس از مفاصل - حفره های بیش از 25٪ از سطح پد غیر قابل قبول است.

اصلاحات پیشنهادی (به ترتیب اولویت):

1. کاهش ΔT:یک هیت سینک اضافه کنید یا جریان هوا را بهبود بخشید تا لنت های ماسفت را در دمای کامل زیر 90 درجه سانتیگراد نگه دارید.

2. افزودن ویزای حرارتی:زیر هر پد ماسفت، آرایه ای از 0.3 میلی متر ویا (پر و درپوش) قرار دهید تا گرما را به صفحه زمین PCB بکشد.

3. از آلیاژ کم نقره استفاده کنید:به جای SAC305، SAC105 (1% Ag) را در نظر بگیرید. مقدار کمتر نقره، انعطاف پذیری و مقاومت در برابر خستگی حرارتی را به قیمت نقطه ذوب کمی بالاتر افزایش می دهد.

4. ماسفت ها را قابلمه کنید:ترکیب گلدان رسانای حرارتی را روی ماسفت ها اعمال کنید. این استرس چرخه حرارتی را کاهش می دهد و گرما را منتقل می کند.

Q3: من نیاز به تعمیر PCBA کنترل موتور دارم که در اصل از لحیم کاری سربی استفاده می کرد. آیا می توانم از لحیم کاری بدون سرب برای تعمیر استفاده کنم؟

الف:از نظر فنی بله، اما توصیه نمی شود. در اینجا دلیل آن است:

مسئله 1 - متالورژی مختلط:لحیم کاری بدون سرب (SAC305) به خوبی با لحیم کاری سرب باقیمانده (Sn63/Pb37) مخلوط نمی شود. آلیاژ حاصل دارای نقطه ذوب غیرقابل پیش بینی (معمولاً 190 درجه سانتیگراد تا 210 درجه سانتیگراد) است و اتصالات ضعیف و دانه ای مستعد ترک خوردگی ایجاد می کند.

مشکل 2 - تضاد دما:برای جریان مناسب لحیم بدون سرب، به یک نوک آهن لحیم کاری 370 تا 400 درجه سانتیگراد نیاز دارید. این دما می تواند:

پد PCB را از بستر FR4 جدا کنید

آسیب به اجزای مجاور (به ویژه خازن های الکترولیتی)

اتصالات پلاستیکی نزدیک را ذوب کنید

پروتکل تعمیر توصیه شده:

اگر باید از بدون سرب روی برد سرب دار استفاده کنید:100% لحیم کاری موجود را با استفاده از یک ایستگاه لحیم کاری خلاء از محل تعمیر خارج کنید. با بزرگنمایی بررسی کنید - هر گونه لحیم کاری سرب باقیمانده اتصال جدید را آلوده می کند. سپس لحیم کاری بدون سرب را در دمای 370 درجه سانتیگراد با شار فعال ادامه دهید.

ماتریس تصمیم: سرب در مقابل بدون سرب برای PCBA کنترل موتور

از این جدول برای راهنمایی انتخاب لحیم کاری خود استفاده کنید.

لحیم کاری بدون سرب برای اکثر PCBA های کنترل موتور که به بازارهای تنظیم شده ارسال می شوند، از نظر قانونی مورد نیاز است. با این حال، ویژگی‌های مواد آلیاژهای بدون سرب - شکنندگی بیشتر، تشکیل IMC ضخیم‌تر، خطر سبیل قلع - نگرانی‌هایی را در مورد قابلیت اطمینان واقعی در کاربردهای ارتعاش بالا و چرخه حرارتی ایجاد می‌کند.

برای کاربردهای اجباری بدون سرب:

برای بهترین خیس شدن از سطح ENIG استفاده کنید

نمایه جریان مجدد را با دقت کنترل کنید (TAL 60-90 ثانیه، حداکثر دمای 245-260 درجه سانتیگراد)

برای اجزای با جرم زیاد گلدان یا چسب اضافه کنید

برای از بین بردن سبیل های قلع، روکش منسجم اعمال کنید

برای کاربردهایی که واجد شرایط معافیت هستند (خودروهای زیر کاپوت، صنعتی بالای 10 سال، هوافضا، پزشکی):

- لحیم کاری سرب (Sn63/Pb37) استاندارد طلایی قابلیت اطمینان باقی می ماند

- جایگزینی ترکیبی از شکل پذیری، مقاومت در برابر ارتعاش و چندین دهه داده های میدانی دشوار است

برای تعمیرات:با آلیاژ لحیم کاری اصلی مطابقت دهید. متالورژی مختلط اتصالات غیرقابل پیش بینی و غیر قابل اطمینان ایجاد می کند.

این تصمیم در نهایت انطباق مقرراتی را با قابلیت اطمینان میدانی متعادل می کند. برای محصولات مصرفی با عمر مورد انتظار 3-5 سال، بدون سرب بالغ و قابل اعتماد است. برای کنترل‌های موتور حیاتی یا با عمر طولانی، معافیت را دنبال کنید و از لحیم کاری سرب استفاده کنید.