Lehimin Isıl İletkenliğini İyileştirerek Elektronik Isı Sorunlarıyla Başa Çıkmak

Modern elektronik cihaz tasarımı ve üretiminde, termal yönetim kritik bir faktör haline gelmiştir. Elektronik bileşenlerin entegrasyon yoğunluğu ve güç yoğunluğu artmaya devam ettikçe, cihazlar içinde üretilen ısı miktarı da önemli ölçüde artmaktadır. Bu ısı etkili bir şekilde dağıtılamazsa, bileşen sıcaklıklarının yükselmesine yol açar ve sonuç olarak cihaz performansını, güvenilirliğini ve ömrünü etkiler.

Elektronik soğutma sistemlerinde lehim, sadece bileşenler arasındaki mekanik ve elektriksel köprü görevi görmekle kalmayıp, aynı zamanda önemli bir ısı transfer ortamı olarak da hizmet ederek önemli bir rol oynar. Lehimin termal iletkenliği, ısı transfer verimliliğini doğrudan etkiler ve bu da uygun malzemelerin seçimi, termal tasarımın optimizasyonu ve yüksek performanslı elektronik ürünlerin oluşturulması için lehimin termal özelliklerinin kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını zorunlu kılar.

Lehim, elektronik üretiminde, öncelikle bileşenler arasındaki mekanik ve elektriksel bağlantılar için kullanılan vazgeçilmez bir malzemedir. İşlevleri şunlardır:

• Mekanik Bağlanma: Lehim, çeşitli çalışma koşullarında güvenilirliği koruyan kararlı yapısal bağlantılar oluşturur.
• Elektriksel Bağlantı: Mükemmel iletkenliği ile lehim, bileşenler arasında kesintisiz sinyal iletimini sağlar.
• Termal Transfer: Bir ısı iletim ortamı olarak lehim, bileşenlerden ısıyı ısı emicilere veya diğer soğutma yapılarına yönlendirir.

Elektronik teknolojisi ilerledikçe, artan güç yoğunlukları daha katı lehim performansı gereksinimleri talep etmektedir. Geleneksel mekanik ve elektriksel özelliklerin ötesinde, termal iletkenlik kritik bir değerlendirme ölçütü haline gelmiştir. LED aydınlatma, güç amplifikatörleri ve bilgisayar CPU'ları gibi yüksek güçlü uygulamalarda, lehimin termal performansı doğrudan çalışma sıcaklıklarını ve cihaz ömrünü belirler.

Kalay-kurşun (SnPb) alaşımları, mükemmel ıslanma özellikleri, düşük erime noktaları ve üstün lehimlenebilirlikleri nedeniyle uzun süre elektroniğe hakim olmuştur. Ancak, kurşunun çevresel ve sağlık tehlikeleri, özellikle AB'nin 2006 RoHS direktifi ile elektroniklerde tehlikeli maddelerin kısıtlanması gibi düzenleyici değişikliklere yol açmıştır.

Bu geçiş, kalay-gümüş-bakır (SAC), kalay-bakır (SnCu) ve kalay-çinko (SnZn) alaşımları gibi kurşunsuz alternatiflerin geliştirilmesini teşvik etti. Bunlar mekanik ve elektriksel performansta SnPb ile eşleşirken, termal iletkenlikleri genellikle yetersiz kalmaktadır. Ek olarak, bu alaşımlar için güvenilir termal iletkenlik verileri elde etmek zor olmaya devam etmektedir.

Lehim malzemeleri tipik olarak uygulama seviyesine göre kategorize edilir:

• Seviye 1 Bağlantı: Çip-paketi bağlantıları için kullanılır, sonraki montaj işlemlerine dayanabilmek için daha yüksek erime noktalarına sahiptir. Bunlar, cihazın en kritik bağlantılarını oluşturdukları için aşırı güvenilirlik talep eder.
• Seviye 2 Bağlantı: Paketlenmiş bileşenleri devre kartlarına bağlar, çip bağlantılarını bozmadan montajı kolaylaştırmak için daha düşük erime noktalarına sahiptir. Bunlar maliyet, güvenilirlik ve lehimlenebilirlik arasında bir denge sağlar.

Bir birim alan (W/m·K) boyunca birim sıcaklık gradyanı başına ısı transferi olarak tanımlanan termal iletkenlik, bir lehimin ısı dağıtma yeteneğini belirler. Daha yüksek değerler, bileşenlerden soğutma yapılarına daha hızlı ısı transferi sağlar.

Tablo 1, erime noktasına göre sıralanmış, yaygın lehim alaşımlarının termal iletkenliklerini karşılaştırmaktadır. Tek erime noktalı girişlerin ötektik bileşimleri temsil ettiğini, bileşim toleranslarının %22645% bileşenler için ±%0,2 ve >%5 bileşenler için ±%0,5 olduğunu unutmayın.

Tablo 1'deki yüksek erime noktalı lehimler, havacılık, askeri ve diğer yüksek güvenilirlikli uygulamalar için tipik olarak hermetik çip paketlemede kullanılır. Bunlar, soğutma sırasında gerilme kaynaklı arızaları önlemek için yarı iletken malzemelerle eşleşen termal genleşme katsayılarına sahip alt tabaka malzemeleri gerektirir.

Altın-kalay ötektik lehim, mükemmel ıslanabilirlik, mekanik mukavemet ve korozyon direnci sunar, ancak yüksek maliyeti, kullanımı premium uygulamalarla sınırlar.

Sn96.5Ag3.0Cu0.5 ve Sn95.5Ag4.0Cu0.5 gibi kalay-gümüş-bakır (SAC) varyantları, termal iletkenlikte biraz geride kalırken (~60 W/m·K at 25°C) mekanik ve elektriksel performansı eşleştirerek birincil SnPb ikameleri olarak ortaya çıkmıştır.

Özellikle, alaşım termal iletkenliğini saf element değerlerine dayalı basit karıştırma kurallarını kullanarak tahmin etmek önemli hatalar üretebilir. Örneğin, AuSn (80/20), hem altından (315 W/m·K) hem de kalaydan (66 W/m·K) daha düşük olan 57 W/m·K iletkenlik sergiler ve mikro yapı ve tane sınırlarının sadece bileşimin ötesinde termal performansı nasıl etkilediğini gösterir.

Lehim boşlukları, etkin iletim alanını azaltır ve gerilim konsantrasyon noktaları oluşturur. Termal ve mekanik performansı en üst düzeye çıkarmak için optimize edilmiş lehimleme işlemleri (sıcaklık kontrolü, malzeme temizliği vb.) yoluyla gözenekliliği en aza indirmek esastır.

Doğru lehim termal iletkenlik verileri, sonlu elemanlar analizi (FEA) ve sonlu farklar yöntemi (FDM) termal modellerinde hassasiyeti artırarak daha iyi soğutma sistemi tasarımlarını mümkün kılar.

Yeni nesil lehimler, daha sıkı çevresel standartları karşılarken daha yüksek termal iletkenlik, mukavemet ve güvenilirlik arayacaktır. Araştırmalar, nanoparçacık katkı maddeleri içeren nanokompozit lehimlere ve gözenekliliği azaltmak için lazer ve ultrasonik lehimleme gibi gelişmiş işlemlere odaklanmaktadır.

Optimal lehim seçimi, aşağıdakilerin dengelenmesini gerektirir:

• Uygulamaya özel erime noktaları
• Termal/mekanik performans gereksinimleri
• Maliyet kısıtlamaları
• Çevresel uyumluluk

• Yüksek güçlü LED'ler: AuSn veya nanoparçacıkla geliştirilmiş SAC alaşımları
• Bilgisayar CPU'ları: AuSn veya sıvı metal alaşımları
• Mobil cihazlar: Düşük erime noktalı SAC veya SnCu alaşımları

Lehim termal iletkenliği, elektronik cihaz soğutma verimliliğini temelden etkiler. Termal, mekanik, ekonomik ve ekolojik faktörleri göz önünde bulunduran bilinçli malzeme seçimi, optimum termal yönetimi sağlar. Lehim malzemeleri ve süreçlerindeki sürekli yenilikler, yeni nesil elektronikte artan performans taleplerini ele alacaktır.