การปรับปรุงการนำความร้อนของบัดกรีเพื่อจัดการกับปัญหาความร้อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ในการออกแบบและผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ การจัดการความร้อนได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญ เนื่องจากส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ยังคงเพิ่มความหนาแน่นในการรวมและกำลังไฟ ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์จึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก หากไม่สามารถระบายความร้อนนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ จะนำไปสู่อุณหภูมิของส่วนประกอบที่สูงขึ้น ซึ่งท้ายที่สุดจะส่งผลต่อประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และอายุการใช้งานของอุปกรณ์

ภายในระบบระบายความร้อนด้วยอิเล็กทรอนิกส์ ตะกั่วบัดกรีมีบทบาทสำคัญ ไม่เพียงแต่ทำหน้าที่เป็นสะพานทางกลและไฟฟ้าเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบเท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่เป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อนที่สำคัญอีกด้วย การนำความร้อนของตะกั่วบัดกรีส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน ทำให้การทำความเข้าใจอย่างละเอียดเกี่ยวกับคุณสมบัติทางความร้อนของตะกั่วบัดกรีเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเลือกวัสดุที่เหมาะสม การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบความร้อน และการสร้างผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพสูง

ตะกั่วบัดกรีเป็นวัสดุที่ขาดไม่ได้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับการเชื่อมต่อทางกลและไฟฟ้าของส่วนประกอบ หน้าที่ต่างๆ ได้แก่:

• การยึดติดทางกล: ตะกั่วบัดกรีสร้างการเชื่อมต่อโครงสร้างที่มั่นคงซึ่งรักษาความน่าเชื่อถือในสภาวะการทำงานต่างๆ
• การเชื่อมต่อทางไฟฟ้า: ด้วยการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ตะกั่วบัดกรีช่วยให้มั่นใจได้ถึงการส่งสัญญาณที่ไม่ขาดตอนระหว่างส่วนประกอบ
• การถ่ายเทความร้อน: ในฐานะที่เป็นตัวกลางนำความร้อน ตะกั่วบัดกรีจะนำความร้อนจากส่วนประกอบไปยังแผ่นระบายความร้อนหรือโครงสร้างระบายความร้อนอื่นๆ

เมื่อเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ก้าวหน้าขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้นทำให้เกิดข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของตะกั่วบัดกรีที่เข้มงวดมากขึ้น นอกเหนือจากคุณสมบัติทางกลและไฟฟ้าแบบดั้งเดิมแล้ว การนำความร้อนได้กลายเป็นตัวชี้วัดที่สำคัญ ในการใช้งานกำลังไฟสูง เช่น ไฟ LED, เครื่องขยายเสียง และ CPU ของคอมพิวเตอร์ ประสิทธิภาพความร้อนของตะกั่วบัดกรีจะกำหนดอุณหภูมิในการทำงานและอายุการใช้งานของอุปกรณ์โดยตรง

โลหะผสมดีบุก-ตะกั่ว (SnPb) ครอบงำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มาเป็นเวลานานเนื่องจากคุณสมบัติการเปียกที่ดีเยี่ยม จุดหลอมเหลวต่ำ และความสามารถในการบัดกรีที่เหนือกว่า อย่างไรก็ตาม อันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของตะกั่วทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงด้านกฎระเบียบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งคำสั่ง RoHS ของสหภาพยุโรปในปี 2549 ที่จำกัดสารอันตรายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

การเปลี่ยนแปลงนี้กระตุ้นให้เกิดการพัฒนาทางเลือกที่ปราศจากสารตะกั่ว เช่น โลหะผสมดีบุก-เงิน-ทองแดง (SAC), ดีบุก-ทองแดง (SnCu) และดีบุก-สังกะสี (SnZn) แม้ว่าสิ่งเหล่านี้จะเทียบเท่ากับ SnPb ในด้านประสิทธิภาพทางกลและไฟฟ้า แต่การนำความร้อนมักจะต่ำกว่า นอกจากนี้ การได้รับข้อมูลการนำความร้อนที่เชื่อถือได้สำหรับโลหะผสมเหล่านี้ยังคงเป็นเรื่องท้าทาย

วัสดุตะกั่วบัดกรีมักถูกจัดประเภทตามระดับการใช้งาน:

• การเชื่อมต่อระดับ 1: ใช้สำหรับการเชื่อมต่อชิปกับแพ็คเกจ โดยมีจุดหลอมเหลวที่สูงขึ้นเพื่อทนต่อกระบวนการประกอบในภายหลัง สิ่งเหล่านี้ต้องการความน่าเชื่อถือสูงสุดเนื่องจากเป็นรอยต่อที่สำคัญที่สุดของอุปกรณ์
• การเชื่อมต่อระดับ 2: เชื่อมต่อส่วนประกอบที่บรรจุลงในแผงวงจร โดยมีจุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่าเพื่ออำนวยความสะดวกในการประกอบโดยไม่รบกวนการเชื่อมต่อชิป สิ่งเหล่านี้สร้างสมดุลระหว่างต้นทุน ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการบัดกรี

กำหนดให้เป็นการถ่ายเทความร้อนต่อการไล่ระดับอุณหภูมิต่อหน่วยพื้นที่ (W/m·K) การนำความร้อนจะกำหนดความสามารถในการกระจายความร้อนของตะกั่วบัดกรี ค่าที่สูงขึ้นช่วยให้ถ่ายเทความร้อนจากส่วนประกอบไปยังโครงสร้างระบายความร้อนได้เร็วขึ้น

ตารางที่ 1 เปรียบเทียบการนำความร้อนของโลหะผสมตะกั่วบัดกรีทั่วไป โดยเรียงตามจุดหลอมเหลว โปรดทราบว่ารายการจุดหลอมเหลวเดียวแสดงถึงองค์ประกอบยูเทคติก ในขณะที่ค่าความคลาดเคลื่อนขององค์ประกอบคือ ±0.2% สำหรับส่วนประกอบ ≤5% และ ±0.5% สำหรับส่วนประกอบ >5%

ตะกั่วบัดกรีจุดหลอมเหลวสูงจากตารางที่ 1 มักใช้ในการบรรจุชิปแบบสุญญากาศสำหรับอวกาศ การทหาร และการใช้งานอื่นๆ ที่มีความน่าเชื่อถือสูง สิ่งเหล่านี้ต้องการวัสดุพื้นผิวที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ตรงกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เพื่อป้องกันความล้มเหลวที่เกิดจากความเครียดในระหว่างการระบายความร้อน

ตะกั่วบัดกรีแบบยูเทคติกทองคำ-ดีบุกให้ความสามารถในการเปียก ความแข็งแรงทางกล และความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม แม้ว่าต้นทุนที่สูงจะจำกัดการใช้งานในการใช้งานระดับพรีเมียม

ตัวแปรดีบุก-เงิน-ทองแดง (SAC) เช่น Sn96.5Ag3.0Cu0.5 และ Sn95.5Ag4.0Cu0.5 ได้กลายเป็นตัวแทน SnPb หลัก โดยให้ประสิทธิภาพทางกลและไฟฟ้าที่ตรงกัน ในขณะที่ตามหลังเล็กน้อยในการนำความร้อน (~60 W/m·K ที่ 25°C)

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การประมาณการนำความร้อนของโลหะผสมโดยใช้กฎการผสมแบบง่ายตามค่าองค์ประกอบบริสุทธิ์อาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดอย่างมาก ตัวอย่างเช่น AuSn (80/20) แสดงการนำไฟฟ้า 57 W/m·K ซึ่งต่ำกว่าทั้งทองคำ (315 W/m·K) และดีบุก (66 W/m·K) ซึ่งแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างจุลภาคและขอบเกรนส่งผลต่อประสิทธิภาพทางความร้อนอย่างไร นอกเหนือจากองค์ประกอบเพียงอย่างเดียว

ช่องว่างของตะกั่วบัดกรีช่วยลดพื้นที่การนำไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพและสร้างจุดรวมความเครียด การลดความพรุนให้เหลือน้อยที่สุดผ่านกระบวนการบัดกรีที่เหมาะสมที่สุด (การควบคุมอุณหภูมิ ความสะอาดของวัสดุ ฯลฯ) เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพทางความร้อนและทางกล

ข้อมูลการนำความร้อนของตะกั่วบัดกรีที่ถูกต้องช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด (FEA) และแบบจำลองความร้อนวิธีผลต่างจำกัด (FDM) ทำให้สามารถออกแบบระบบระบายความร้อนได้ดีขึ้น

ตะกั่วบัดกรีรุ่นต่อไปจะให้ความสำคัญกับการนำความร้อน ความแข็งแรง และความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น ในขณะเดียวกันก็เป็นไปตามมาตรฐานด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดมากขึ้น การวิจัยมุ่งเน้นไปที่ตะกั่วบัดกรีนาโนคอมโพสิต (พร้อมสารเติมแต่งอนุภาคนาโน) และกระบวนการขั้นสูง เช่น การบัดกรีด้วยเลเซอร์และอัลตราโซนิกเพื่อลดความพรุน

การเลือกตะกั่วบัดกรีที่เหมาะสมที่สุดต้องสร้างสมดุลระหว่าง:

• จุดหลอมเหลวเฉพาะแอปพลิเคชัน
• ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพทางความร้อน/ทางกล
• ข้อจำกัดด้านต้นทุน
• การปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม

• ไฟ LED กำลังสูง: โลหะผสม AuSn หรือ SAC ที่เสริมด้วยอนุภาคนาโน
• CPU ของคอมพิวเตอร์: โลหะผสม AuSn หรือโลหะเหลว
• อุปกรณ์พกพา: โลหะผสม SAC หรือ SnCu จุดหลอมเหลวต่ำ

การนำความร้อนของตะกั่วบัดกรีส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การเลือกวัสดุอย่างมีข้อมูล โดยพิจารณาจากปัจจัยด้านความร้อน ทางกล เศรษฐกิจ และนิเวศวิทยา ช่วยให้สามารถจัดการความร้อนได้อย่างเหมาะสมที่สุด นวัตกรรมอย่างต่อเนื่องในวัสดุและกระบวนการตะกั่วบัดกรีจะตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป