เราจะรับประกันความน่าเชื่อถือของข้อต่อการบัดกรีในแผงวงจรไฟสนามแสงอาทิตย์แบบ LED ได้อย่างไร

ความท้าทายจากไซเคิลความร้อนและความเข้ากันได้ของวัสดุ

ความไม่สอดคล้องกันของการขยายตัวจากความร้อนระหว่างไฟ LED, ซับสเตรต FR-4 และดีบุก SAC305

การเลือกวัสดุที่ทำงานร่วมกันได้อย่างเหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างข้อต่อการบัดกรีที่เชื่อถือได้ในแผงวงจรพีซีบีของไฟส่องสว่างภูมิทัศน์พลังงานแสงอาทิตย์แบบแอลอีดี พิจารณาตัวเลขต่อไปนี้: แอลอีดีมีอัตราการขยายตัวประมาณ 6 ถึง 8 ส่วนในล้านส่วนต่อองศาเซลเซียส ในขณะที่ตัวฐานวัสดุ FR-4 มีอัตราการขยายตัวประมาณ 14 ถึง 17 ppm/°C ตัวถ่วายทินเนอร์ SAC305 ที่เราใช้กันโดยทั่วไปมีการขยายตัวมากกว่านั้นอีก คือประมาณ 22 ppm/°C ความแตกต่างเหล่านี้ก่อให้เกิดปัญหาจริงในช่วงที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เกิดอะไรขึ้น? เกิดแรงเครียดทางกลขึ้นที่บริเวณข้อต่อระหว่างชิ้นส่วนต่างๆ ตามกาลเวลา ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวขนาดเล็กในตัวข้อต่อการบัดกรีเอง รายงานจากภาคอุตสาหกรรมชี้ให้เห็นว่า ประมาณสองในสามของความล้มเหลวในระยะแรกของระบบไฟส่องสว่างพลังงานแสงอาทิตย์กลางแจ้งเกิดจากปัญหาการขยายตัวจากความร้อนนี้ นั่นคือเหตุผลที่ผู้ผลิตที่รอบคอบให้ความสำคัญอย่างมากในการจับคู่วัสดุอย่างระมัดระวัง เมื่อทำได้อย่างถูกต้อง จะช่วยลดจุดที่เกิดแรงเครียดได้อย่างมาก และทำให้ผลิตภัณฑ์มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ทนต่อสภาพอากาศที่เปลี่ยนแปลงจากความร้อนและความเย็นซ้ำๆ ที่เกิดขึ้นภายนอกอาคาร

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างเร่งด่วน (−40°C ถึง +85°C, มากกว่า 1,000 รอบ) เพื่อทำนายความน่าเชื่อถือ

การทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างเร่งด่วนเลียนแบบความเครียดตามฤดูกาลที่เกิดขึ้นเป็นเวลาหลายสิบปีภายในไม่กี่สัปดาห์ การนำแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ผ่านรอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว่าง −40°C ถึง +85°C มากกว่า 1,000 รอบ จะเผยให้เห็นการพัฒนาของความล้มเหลวที่สัมพันธ์อย่างชัดเจนกับประสิทธิภาพในสภาพใช้งานจริง:

• ระยะเริ่มต้น (รอบที่ 1–300) : ชั้นสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิก (IMC) หนาขึ้น
• ระยะกลาง (รอบที่ 301–700) : การรวมตัวของรูพรุนขนาดเล็กและการเริ่มเกิดรอยแตก
• ระยะสุดท้าย (700 รอบขึ้นไป) : รอยแตกตลอดแนวข้อต่อและการขาดการนำไฟฟ้า

วิธีการนี้สามารถทำนายความน่าเชื่อถือในสนามได้อย่างแม่นยำถึง 92% เมื่อมีการปรับให้สอดคล้องกับลักษณะภูมิอากาศของแต่ละพื้นที่ ผู้ผลิตที่ใช้โปรโตคอลการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว รายงานว่ามีจำนวนการเคลมประกันลดลง 40% ในพื้นที่ที่มีอุณหภูมิแปรปรวนสูง

การปรับปรุงกระบวนการบัดกรีไร้ตะกั่วเพื่อความทนทานสำหรับการใช้งานกลางแจ้ง

ไฟส่องสว่างพลังงานแสงอาทิตย์แบบ LED ต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงอย่างต่อเนื่อง เช่น การถูกทำลายจากแสง UV การเปลี่ยนแปลงของความชื้น และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างกว้าง ซึ่งต้องการความน่าเชื่อถือของข้อต่อตะกั่วที่แข็งแรง การเข้าใจกลไกการเสียหายและการปรับปรุงกระบวนการผลิตจึงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อยืดอายุการใช้งาน

กลไกการเสื่อมสภาพจากแสง UV/ความชื้นในโลหะผสม SnAgCu บนแผงวงจรไฟส่องสว่างพลังงานแสงอาทิตย์แบบ LED

ตะกั่วบัดกรีชนิดปลอดสารตะกั่วประเภท SnAgCu หรือ SAC นั้นเป็นไปตามมาตรฐานสิ่งแวดล้อม แต่มักจะเสื่อมสภาพเมื่อถูกทิ้งไว้นอกอาคารเป็นระยะเวลานาน โดยแสงแดดเร่งให้ชิ้นส่วนพลาสติกบนแผงวงจรเริ่มแตกหักได้เร็วขึ้น ซึ่งทำให้การเชื่อมต่อระหว่างตะกั่วบัดกรีและแผงวงจรมีความแข็งแรงลดลงตามเวลา นอกจากนี้ ความชื้นยังซึมเข้าไปในขั้วต่อเหล่านี้และก่อให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีที่สร้างเส้นทางนำไฟฟ้าขนาดเล็กข้ามผิววัสดุในตำแหน่งที่ไม่ควรมี อาจนำไปสู่ภาวะลัดวงจรที่เป็นอันตรายได้ เมื่อสัมผัสกับสภาวะความชื้นสูงซ้ำๆ ประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ ความชื้นสัมพัทธ์ที่อุณหภูมิราว 85 องศาเซลเซียส อัตราการกัดกร่อนของข้อต่อตะกั่วบัดกรี SAC305 จะเพิ่มขึ้นประมาณสี่สิบเปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับสภาวะในห้องปฏิบัติการปกติ ผลกระทบรวมนี้หมายความว่าผู้ผลิตจำเป็นต้องพิจารณาแก้ปัญหาจากหลายมุมมอง ทั้งในด้านวัสดุที่ใช้และแนวทางการออกแบบผลิตภัณฑ์

การควบคุมโปรไฟล์รีฟโลว์เพื่อลดการเกิดโพรงและการแปรปรวนของสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิก (IMC)

การจัดการความร้อนอย่างแม่นยำระหว่างกระบวนการรีฟโลว์มีความสำคัญต่อความสมบูรณ์ของข้อต่อ โดยพารามิเตอร์ที่สำคัญ ได้แก่

• อัตราการเพิ่มอุณหภูมิ : ≤2°C/วินาที เพื่อหลีกเลี่ยงการช็อกจากความร้อนที่อาจทำให้ชิ้นส่วนหรือแผ่นรองเสียหาย
• อุณหภูมิสูงสุด : 240–245°C สำหรับโลหะผสม SAC305—เพื่อให้แน่ใจว่าโลหะผสมละลายอย่างสมบูรณ์ โดยไม่ทำลาย LED ที่ไวต่อความร้อน
• ระยะเวลาที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมเหลว (TAL) : 60–90 วินาที เพื่อจำกัดการเจริญเติบโตของ IMC มากเกินไป
• อัตราการระบายความร้อน : 3–4°C/วินาที เพื่อส่งเสริมการเกิดชั้น IMC ที่มีโครงสร้างละเอียดและทนทานต่อแรงทางกล (<4 ไมครอน)

การเกิดโพรงที่มากกว่า 25% ของพื้นที่ข้อต่อจะลดอายุการใช้งานภายใต้ภาวะล้าจากความร้อนลงถึง 50% การใช้ก๊าซไนโตรเจนช่วยในกระบวนการรีฟโลว์สามารถยับยั้งการเกิดออกซิเดชัน และลดการเกิดโพรงให้อยู่ต่ำกว่า 5% — ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับการใช้งานกลางแจ้งที่มีแนวโน้มเกิดความชื้น

มาตรฐานการตรวจสอบตามข้อกำหนด IPC และมาตรฐานการตรวจสอบด้วยสายตาเพื่อความน่าเชื่อถือของข้อต่อการบัดกรี

ปริมาณการใช้งานของไฟฟ้า LED

ไฟฟ้าแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสงแสง ความต้องการสําคัญของสับสับรวมรวมถึง:

• ความครอบคลุมของฟิลเล่ต์กระดูกสูงสุด 75% สําหรับ LED ที่ติดตั้งบนพื้นผิว
• เงินลดรอยแตกที่เห็นได้ในสายเชื่อมต่อรูผ่านหลังจากจักรยานความร้อน
• ขนาดสูงสุด 25% ในสายเชื่อมต่อ solder

การตรวจสอบทางออโต้ออทติกัล (AOI) ยืนยันค่าตัวอัดเหล่านี้กับขั้นต่ําผ่าน / ล้มเหลวที่บันทึกไว้, การรับประกันต่อต่อรองทนต่อจักรยานความร้อนระดับสวน (-40 °C ถึง + 85 °C) การแตกที่ไม่ตรงกับความต้องการ หรือการชื้นที่ไม่เพียงพอ ต้องมีการปรับปรุงใหม่ ก่อนการปิดกันอากาศ เพื่อป้องกันความผิดพลาดที่เกิดจากความชื้น

IPC-J-STD-001G แนวทางในลิงก์ B สําหรับการชื้น ENIG Pad และเจอเมทรีของฟิลเล่

เมื่อพูดถึงการเคลือบแบบอิเล็กโทรเลสไนเคิล อิมเมอร์ชัน โกลด์ (ENIG) ซึ่งมักใช้กับแผ่นวงจรพิมพ์สำหรับการใช้งานด้านแสงสว่างพลังงานแสงอาทิตย์ ข้อกำหนด IPC-J-STD-001G ภาคผนวก B ได้ระบุข้อกำหนดเฉพาะเกี่ยวกับการเปียกตัวของน้ำยาบัดกรีที่ผู้ผลิตจำเป็นต้องปฏิบัติตาม การสร้างรูปเรขาคณิตของแนวบัดกรี (fillet geometry) ที่ดี หมายถึงการประกันว่าน้ำยาบัดกรีจะสัมผัสในมุมที่น้อยกว่า 90 องศา และก่อให้เกิดชั้นสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิก (intermetallic compound) ที่สม่ำเสมอในบริเวณที่ทองแดงพบกับน้ำยาบัดกรี ตามมาตรฐานในภาคผนวก B พื้นที่ของแผ่นบัดกรี (pads) ควรถูกปกคลุมอย่างน้อย 95% ภายในเวลาเพียง 5 วินาที ในระหว่างกระบวนการ reflow เมื่อใช้น้ำยาบัดกรีโลหะผสม SAC305 สิ่งนี้ช่วยป้องกันปัญหา dewetting ซึ่งอาจทำให้ความสามารถในการต้านทานความชื้นของแผ่นวงจรอ่อนแอลงเมื่อเวลาผ่านไป สำหรับโปรไฟล์อุณหภูมิ การควบคุมอุณหภูมิสูงสุดไว้ระหว่าง 235 ถึง 245 องศาเซลเซียสเป็นสิ่งสำคัญ เขตนี้ช่วยให้เกิดคุณสมบัติการเปียกตัวที่เหมาะสม ขณะเดียวกันก็ลดความเสี่ยงจากการเปราะตัวของทองคำ (gold embrittlement) ซึ่งจะช่วยป้องกันการเกิด dendrites และป้องกันปัญหาการกัดกร่อน โดยเฉพาะเมื่อแผ่นวงจรถูกนำไปใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น

กลยุทธ์การป้องกันสิ่งแวดล้อมจากการเสียหายที่เกิดจากความชื้น

น้ำซึมเข้าไปในข้อต่อต่างๆ ยังคงเป็นหนึ่งในปัญหาใหญ่ที่สุดซึ่งทำให้เกิดความเสียหายต่อข้อต่อการบัดกรีบนแผงวงจรพีซีบีของไฟสวนพลังงานแสงอาทิตย์เหล่านี้ ส่งผลให้เกิดสนิมเร็วขึ้น และเกิดข้อผิดพลาดทางไฟฟ้าได้เร็วกว่าปกติเมื่อไฟเหล่านี้ถูกใช้งานภายนอกอาคาร การป้องกันที่ดีที่สุดเริ่มต้นจากการเคลือบผิวด้วยสารป้องกัน (conformal coatings) โดยทั่วไปทำมาจากวัสดุอะคริลิกหรือซิลิโคน ตามแนวทางอุตสาหกรรม เช่น IPC-CC-830B ชั้นป้องกันเหล่านี้จะสร้างเกราะป้องกันที่แข็งแรงต่อความชื้น และทนต่อรังสีแสงแดดได้ดี ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากหากไฟเหล่านี้ต้องทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ในสวนเป็นเวลานาน การจับคู่อัตราการขยายตัวระหว่างวัสดุของแผงวงจรและสารเคลือบให้เหมาะสมนั้นสำคัญมากเช่นกัน เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงจากระดับต่ำสุดที่ลบ 40 องศาเซลเซียส ไปจนถึงสูงสุดที่ 85 องศา หากวัสดุมีอัตราการขยายตัวไม่สอดคล้องกัน ก็จะไม่สามารถยึดเกาะกันได้ดีและเริ่มหลุดลอกออกจากกัน

สำหรับการใช้งานที่มีความเสี่ยงสูง การป้องกันแบบหลายชั้นรวมถึง:

• การเทเรซินอีพอกซีหรือโพลียูรีเทนเพื่อหุ้มขั้วต่อแบตเตอรี่และสายไฟ
• การเคลือบผิวด้วยสารนาโนไฮโดรโฟบิกโดยตรงที่ข้อต่อการบัดกรี เพื่อป้องกันการซึมเข้าของน้ำ
• การติดตั้งช่องระบายน้ำภายในกล่องปิดผนึก เพื่อป้องกันการสะสมของน้ำ

ทุกการประกอบจะต้องผ่านการตรวจสอบสิ่งแวดล้อมอย่างเข้มงวดก่อนการปล่อยสินค้าออกมา ขั้นตอนการทดสอบมาตรฐานคือการเปิดใช้งานชิ้นส่วนเป็นเวลาเกินกว่า 500 ชั่วโมง ที่ความชื้นสัมพัทธ์ 85 เปอร์เซ็นต์ และอุณหภูมิ 85 องศาเซลเซียส ตามมาตรฐาน IEC 60068-2-78 ซึ่งช่วยยืนยันว่ารอยบัดกรีจะสามารถทนต่อสภาพการใช้งานจริงได้หรือไม่ เมื่อควบคุมความชื้นไม่เหมาะสม อัตราการเสียหายอาจเพิ่มขึ้นถึงสามเท่าในระหว่างรอบการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นและแห้งสลับกัน การทำให้ถูกต้องควรเริ่มตั้งแต่ระยะการออกแบบวิศวกรควรเน้นการลดช่องว่างเล็กๆ รอบๆ แผ่นบัดกรี ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของปัญหา พวกเขาจำเป็นต้องเว้นระยะของตัวนำไฟฟ้าให้พอเพียง เพื่อป้องกันปฏิกิริยาทางเคมีที่ไม่ต้องการจากการเกิดขึ้น การหาจุดสมดุลที่เหมาะสมระหว่างความหนาของชั้นเคลือบป้องกันและการระบายความร้อนเป็นงานที่ท้าทาย เพราะหากผนึกหนาเกินไปจะกักเก็บความร้อนไว้ภายใน ซึ่งกลับทำให้การเติบโตของสารประกอบระหว่างโลหะ (intermetallic compound) ในโลหะผสม SAC305 เร่งตัวขึ้นตามกาลเวลา

ส่วน FAQ

อะไรเป็นสาเหตุของปัญหาการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในโคมไฟสนามแสงอาทิตย์แบบ LED?

ความท้าทายจากวงจรการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเกิดขึ้นส่วนใหญ่เนื่องจากการไม่สอดคล้องกันของอัตราการขยายตัวทางความร้อนระหว่าง LED, ซับสเตรต FR-4 และตะกั่วบัดกรี SAC305 ซึ่งก่อให้เกิดแรงเครียดเชิงกลและรอยแตกในข้อต่อตะกั่วบัดกรีเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

การทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างเร่งรัดทำงานอย่างไร

การทดสอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างเร่งรัดจำลองความเครียดจากอุณหภูมิที่เกิดขึ้นเป็นเวลาหลายทศวรรษภายในช่วงเวลาสั้น ๆ เพื่อแสดงความก้าวหน้าของการเสียหายผ่านรอบต่าง ๆ และทำนายประสิทธิภาพในการใช้งานจริง

เหตุใดข้อต่อตะกั่วบัดกรีไร้สารตะกั่วจึงเสื่อมสภาพในสภาพแวดล้อมกลางแจ้ง

ข้อต่อตะกั่วบัดกรีไร้สารตะกั่วเสื่อมสภาพเนื่องจากการได้รับรังสี UV และความชื้นสูง ซึ่งทำให้วัสดุพลาสติกเสื่อมสภาพและเกิดปฏิกิริยาทางเคมีที่นำไปสู่การกัดกร่อนและความล้มเหลวทางไฟฟ้า

จะป้องกันความล้มเหลวจากความชื้นในข้อต่อตะกั่วบัดกรีได้อย่างไร

สามารถป้องกันความล้มเหลวจากความชื้นได้โดยการใช้ชั้นเคลือบคอนฟอร์มอล (conformal coatings), ชั้นเคลือบนาโนแบบไฮโดรโฟบิก (hydrophobic nano-coatings) และกลยุทธ์การออกแบบที่เหมาะสมเพื่อให้มั่นใจถึงการป้องกันจากสิ่งแวดล้อม