Migliorare la Conduttività Termica della Saldatura per Affrontare i Problemi di Calore nell'Elettronica

Nella progettazione e produzione di dispositivi elettronici moderni, la gestione termica è diventata un fattore critico. Poiché i componenti elettronici continuano ad aumentare in densità di integrazione e densità di potenza, la quantità di calore generata all'interno dei dispositivi aumenta notevolmente. Se questo calore non può essere dissipato efficacemente, porta ad un aumento delle temperature dei componenti, che alla fine influisce sulle prestazioni, l'affidabilità e la durata del dispositivo.

All'interno dei sistemi di raffreddamento elettronici, la saldatura gioca un ruolo fondamentale, non solo fungendo da ponte meccanico ed elettrico tra i componenti, ma anche funzionando come un mezzo cruciale per il trasferimento di calore. La conduttività termica della saldatura influisce direttamente sull'efficienza del trasferimento di calore, rendendo essenziale una conoscenza approfondita delle proprietà termiche della saldatura per la selezione di materiali appropriati, l'ottimizzazione della progettazione termica e la creazione di prodotti elettronici ad alte prestazioni.

La saldatura è un materiale indispensabile nella produzione di elettronica, utilizzato principalmente per i collegamenti meccanici ed elettrici tra i componenti. Le sue funzioni includono:

• Legame meccanico: La saldatura crea collegamenti strutturali stabili che mantengono l'affidabilità in varie condizioni operative.
• Connettività elettrica: Con un'eccellente conduttività, la saldatura garantisce una trasmissione del segnale ininterrotta tra i componenti.
• Trasferimento termico: Come mezzo di conduzione del calore, la saldatura convoglia il calore dai componenti ai dissipatori di calore o ad altre strutture di raffreddamento.

Con l'avanzamento della tecnologia elettronica, l'aumento delle densità di potenza richiede requisiti di prestazione della saldatura più rigorosi. Oltre alle proprietà meccaniche ed elettriche tradizionali, la conduttività termica è diventata una metrica di valutazione critica. In applicazioni ad alta potenza come l'illuminazione a LED, gli amplificatori di potenza e le CPU dei computer, le prestazioni termiche della saldatura determinano direttamente le temperature di esercizio e la longevità del dispositivo.

Le leghe stagno-piombo (SnPb) hanno a lungo dominato l'elettronica grazie alle loro eccellenti proprietà di bagnatura, ai bassi punti di fusione e alla superiore saldabilità. Tuttavia, i rischi ambientali e per la salute del piombo hanno spinto cambiamenti normativi, in particolare la direttiva RoHS 2006 dell'UE che limita le sostanze pericolose nell'elettronica.

Questa transizione ha stimolato lo sviluppo di alternative senza piombo come le leghe stagno-argento-rame (SAC), stagno-rame (SnCu) e stagno-zinco (SnZn). Sebbene queste corrispondano a SnPb in termini di prestazioni meccaniche ed elettriche, la loro conduttività termica è spesso inferiore. Inoltre, ottenere dati affidabili sulla conduttività termica per queste leghe rimane una sfida.

I materiali di saldatura sono tipicamente classificati in base al livello di applicazione:

• Interconnessione di livello 1: Utilizzato per le connessioni chip-to-package, con punti di fusione più alti per resistere ai successivi processi di assemblaggio. Questi richiedono un'affidabilità estrema in quanto formano le giunzioni più critiche del dispositivo.
• Interconnessione di livello 2: Lega i componenti confezionati ai circuiti stampati, con punti di fusione inferiori per facilitare l'assemblaggio senza disturbare le connessioni dei chip. Questi bilanciano costi, affidabilità e saldabilità.

Definita come trasferimento di calore per gradiente di temperatura unitario su un'area unitaria (W/m·K), la conduttività termica determina la capacità di dissipazione del calore di una saldatura. Valori più elevati consentono un trasferimento di calore più rapido dai componenti alle strutture di raffreddamento.

La Tabella 1 confronta le conduttività termiche delle leghe di saldatura comuni, ordinate per punto di fusione. Si noti che le voci a punto di fusione singolo rappresentano composizioni eutettiche, mentre le tolleranze di composizione sono ±0,2% per componenti ≤5% e ±0,5% per componenti >5%.

Le saldature ad alto punto di fusione della Tabella 1 sono tipicamente utilizzate negli imballaggi di chip ermetici per applicazioni aerospaziali, militari e altre applicazioni ad alta affidabilità. Questi richiedono materiali di substrato con coefficienti di espansione termica corrispondenti ai materiali semiconduttori per prevenire guasti indotti da stress durante il raffreddamento.

La saldatura eutettica oro-stagno offre un'eccellente bagnabilità, resistenza meccanica e resistenza alla corrosione, sebbene il suo costo elevato ne limiti l'uso ad applicazioni premium.

Varianti di stagno-argento-rame (SAC) come Sn96.5Ag3.0Cu0.5 e Sn95.5Ag4.0Cu0.5 sono emerse come principali sostituti di SnPb, corrispondenti alle prestazioni meccaniche ed elettriche pur essendo leggermente inferiori in termini di conduttività termica (~60 W/m·K a 25°C).

In particolare, la stima della conduttività termica della lega utilizzando semplici regole di miscelazione basate sui valori degli elementi puri può produrre errori significativi. Ad esempio, AuSn (80/20) mostra una conduttività di 57 W/m·K, inferiore sia all'oro (315 W/m·K) che allo stagno (66 W/m·K), dimostrando come la microstruttura e i bordi dei grani influenzino le prestazioni termiche oltre la sola composizione.

I vuoti di saldatura riducono l'area di conduzione effettiva e creano punti di concentrazione dello stress. Ridurre al minimo la porosità attraverso processi di saldatura ottimizzati (controllo della temperatura, pulizia dei materiali, ecc.) è essenziale per massimizzare le prestazioni termiche e meccaniche.

Dati accurati sulla conduttività termica della saldatura migliorano la precisione nell'analisi agli elementi finiti (FEA) e nei modelli termici con metodo delle differenze finite (FDM), consentendo una migliore progettazione dei sistemi di raffreddamento.

Le saldature di nuova generazione perseguiranno una maggiore conduttività termica, resistenza e affidabilità, soddisfacendo al contempo standard ambientali più rigorosi. La ricerca si concentra sulle saldature nanocomposite (con additivi di nanoparticelle) e su processi avanzati come la saldatura laser e a ultrasuoni per ridurre la porosità.

La selezione ottimale della saldatura richiede il bilanciamento di:

• Punti di fusione specifici per l'applicazione
• Requisiti di prestazione termica/meccanica
• Vincoli di costo
• Conformità ambientale

• LED ad alta potenza: Leghe AuSn o SAC potenziate con nanoparticelle
• CPU dei computer: Leghe AuSn o metalli liquidi
• Dispositivi mobili: Leghe SAC o SnCu a basso punto di fusione

La conduttività termica della saldatura influisce fondamentalmente sull'efficienza del raffreddamento dei dispositivi elettronici. La selezione informata dei materiali, considerando i fattori termici, meccanici, economici ed ecologici, consente una gestione termica ottimale. La continua innovazione nei materiali e nei processi di saldatura affronterà le crescenti esigenze di prestazioni nell'elettronica di nuova generazione.