Cải thiện độ dẫn nhiệt của mối hàn để giải quyết các vấn đề về nhiệt trong điện tử

Trong thiết kế và sản xuất thiết bị điện tử hiện đại, quản lý nhiệt đã trở thành một yếu tố quan trọng. Khi các linh kiện điện tử tiếp tục tăng về mật độ tích hợp và mật độ công suất, lượng nhiệt sinh ra trong các thiết bị tăng lên đáng kể. Nếu nhiệt này không thể được tản ra hiệu quả, nó sẽ dẫn đến nhiệt độ linh kiện tăng cao, cuối cùng ảnh hưởng đến hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị.

Trong các hệ thống làm mát điện tử, mối hàn đóng một vai trò then chốt—không chỉ đóng vai trò là cầu nối cơ học và điện giữa các linh kiện mà còn hoạt động như một môi trường truyền nhiệt quan trọng. Độ dẫn nhiệt của mối hàn tác động trực tiếp đến hiệu quả truyền nhiệt, khiến cho việc hiểu biết kỹ lưỡng về các đặc tính nhiệt của mối hàn là điều cần thiết để lựa chọn vật liệu phù hợp, tối ưu hóa thiết kế nhiệt và tạo ra các sản phẩm điện tử hiệu suất cao.

Mối hàn là một vật liệu không thể thiếu trong sản xuất điện tử, chủ yếu được sử dụng để kết nối cơ học và điện giữa các linh kiện. Các chức năng của nó bao gồm:

• Liên kết cơ học: Mối hàn tạo ra các kết nối cấu trúc ổn định, duy trì độ tin cậy trong các điều kiện vận hành khác nhau.
• Kết nối điện: Với độ dẫn điện tuyệt vời, mối hàn đảm bảo truyền tín hiệu không bị gián đoạn giữa các linh kiện.
• Truyền nhiệt: Là một môi trường dẫn nhiệt, mối hàn dẫn nhiệt từ các linh kiện đến bộ tản nhiệt hoặc các cấu trúc làm mát khác.

Khi công nghệ điện tử phát triển, việc tăng mật độ công suất đòi hỏi các yêu cầu về hiệu suất mối hàn khắt khe hơn. Ngoài các đặc tính cơ học và điện truyền thống, độ dẫn nhiệt đã trở thành một thước đo đánh giá quan trọng. Trong các ứng dụng công suất cao như chiếu sáng LED, bộ khuếch đại công suất và CPU máy tính, hiệu suất nhiệt của mối hàn quyết định trực tiếp nhiệt độ hoạt động và tuổi thọ của thiết bị.

Hợp kim thiếc-chì (SnPb) từ lâu đã thống trị ngành điện tử do các đặc tính làm ướt tuyệt vời, điểm nóng chảy thấp và khả năng hàn vượt trội. Tuy nhiên, các mối nguy hiểm về môi trường và sức khỏe của chì đã thúc đẩy những thay đổi về quy định, đáng chú ý nhất là chỉ thị RoHS năm 2006 của EU hạn chế các chất độc hại trong điện tử.

Sự chuyển đổi này đã thúc đẩy sự phát triển của các lựa chọn thay thế không chứa chì như hợp kim thiếc-bạc-đồng (SAC), thiếc-đồng (SnCu) và thiếc-kẽm (SnZn). Mặc dù chúng phù hợp với SnPb về hiệu suất cơ học và điện, nhưng độ dẫn nhiệt của chúng thường không đạt yêu cầu. Ngoài ra, việc thu thập dữ liệu độ dẫn nhiệt đáng tin cậy cho các hợp kim này vẫn là một thách thức.

Vật liệu hàn thường được phân loại theo cấp độ ứng dụng:

• Liên kết cấp 1: Được sử dụng để kết nối chip-to-package, có điểm nóng chảy cao hơn để chịu được các quy trình lắp ráp tiếp theo. Chúng đòi hỏi độ tin cậy cao nhất vì chúng tạo thành các mối nối quan trọng nhất của thiết bị.
• Liên kết cấp 2: Liên kết các linh kiện đã đóng gói với bảng mạch, với điểm nóng chảy thấp hơn để tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp ráp mà không làm xáo trộn các kết nối chip. Chúng cân bằng chi phí, độ tin cậy và khả năng hàn.

Được định nghĩa là truyền nhiệt trên một đơn vị gradient nhiệt độ trên một đơn vị diện tích (W/m·K), độ dẫn nhiệt xác định khả năng tản nhiệt của mối hàn. Các giá trị cao hơn cho phép truyền nhiệt nhanh hơn từ các linh kiện đến các cấu trúc làm mát.

Bảng 1 so sánh độ dẫn nhiệt của các hợp kim hàn phổ biến, được sắp xếp theo điểm nóng chảy. Lưu ý rằng các mục nhập điểm nóng chảy đơn lẻ đại diện cho các thành phần eutectic, trong khi dung sai thành phần là ±0,2% đối với các thành phần ≤5% và ±0,5% đối với các thành phần >5%.

Mối hàn điểm nóng chảy cao từ Bảng 1 thường được sử dụng trong bao bì chip kín khí cho hàng không vũ trụ, quân sự và các ứng dụng có độ tin cậy cao khác. Chúng yêu cầu vật liệu nền có hệ số giãn nở nhiệt phù hợp với vật liệu bán dẫn để ngăn ngừa các hỏng hóc do ứng suất trong quá trình làm mát.

Mối hàn eutectic vàng-thiếc mang lại khả năng làm ướt, độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, mặc dù chi phí cao của nó hạn chế việc sử dụng cho các ứng dụng cao cấp.

Các biến thể thiếc-bạc-đồng (SAC) như Sn96.5Ag3.0Cu0.5 và Sn95.5Ag4.0Cu0.5 đã nổi lên như những chất thay thế SnPb chính, phù hợp với hiệu suất cơ học và điện trong khi hơi kém hơn về độ dẫn nhiệt (~60 W/m·K ở 25°C).

Đáng chú ý, việc ước tính độ dẫn nhiệt của hợp kim bằng cách sử dụng các quy tắc trộn đơn giản dựa trên các giá trị nguyên tố nguyên chất có thể tạo ra những sai số đáng kể. Ví dụ, AuSn (80/20) thể hiện độ dẫn điện 57 W/m·K—thấp hơn cả vàng (315 W/m·K) và thiếc (66 W/m·K)—chứng minh cách vi cấu trúc và ranh giới hạt ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt ngoài thành phần.

Các khoảng trống hàn làm giảm diện tích dẫn điện hiệu quả và tạo ra các điểm tập trung ứng suất. Việc giảm thiểu độ xốp thông qua các quy trình hàn được tối ưu hóa (kiểm soát nhiệt độ, độ sạch vật liệu, v.v.) là điều cần thiết để tối đa hóa hiệu suất nhiệt và cơ học.

Dữ liệu độ dẫn nhiệt của mối hàn chính xác sẽ tăng cường độ chính xác trong phân tích phần tử hữu hạn (FEA) và các mô hình nhiệt phương pháp sai phân hữu hạn (FDM), cho phép thiết kế hệ thống làm mát tốt hơn.

Mối hàn thế hệ tiếp theo sẽ theo đuổi độ dẫn nhiệt, độ bền và độ tin cậy cao hơn trong khi đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường nghiêm ngặt hơn. Nghiên cứu tập trung vào mối hàn nano composite (với chất phụ gia hạt nano) và các quy trình tiên tiến như hàn laser và siêu âm để giảm độ xốp.

Việc lựa chọn mối hàn tối ưu đòi hỏi phải cân bằng:

• Điểm nóng chảy cụ thể cho ứng dụng
• Yêu cầu về hiệu suất nhiệt/cơ học
• Ràng buộc về chi phí
• Tuân thủ môi trường

• Đèn LED công suất cao: Hợp kim AuSn hoặc SAC tăng cường hạt nano
• CPU máy tính: Hợp kim AuSn hoặc kim loại lỏng
• Thiết bị di động: Hợp kim SAC hoặc SnCu điểm nóng chảy thấp

Độ dẫn nhiệt của mối hàn về cơ bản tác động đến hiệu quả làm mát của thiết bị điện tử. Việc lựa chọn vật liệu có hiểu biết—xem xét các yếu tố nhiệt, cơ học, kinh tế và sinh thái—cho phép quản lý nhiệt tối ưu. Sự đổi mới liên tục trong vật liệu và quy trình hàn sẽ giải quyết các yêu cầu về hiệu suất ngày càng tăng trong điện tử thế hệ tiếp theo.