コアチップのサージ保護: 産業用-グレードのゲートウェイにおけるサージ保護コンポーネントの高-標準はんだ付け- ニュース

産業グレードのゲートウェイは、モノのインターネット（IoT）の中核ハブとして、屋外、変電所、工場などの過酷な環境に広く導入されています。{0}これらの環境は、落雷によるサージや電力システムからのスイッチングサージの影響を受けることが多く、最大数千ボルトの瞬間的な過電圧が発生する可能性があり、通常は数マイクロ秒程度持続します。保護が失敗すると、強烈な電流によってゲートウェイの通信モジュールとコア制御チップが瞬時に焼き切れる可能性があります。電磁シールドを確立するために、産業用ゲートウェイのインターフェースには通常、ガス放電管、バリスタ、過渡電圧抑制ダイオードで構成される放電回路が装備されています。 PCBA の製造段階では、これらのサージ保護コンポーネントのはんだ付け品質によって、放電経路全体が高強度の電流サージに耐えられるかどうかが直接決まります。{6}}

外部で落雷が発生すると、過渡サージエネルギーがイーサネットインターフェイス、RS485 バス、または電源ピンを介してゲートウェイに流入します。保護回路のインピーダンスが高すぎる場合、または物理的な接続に欠陥がある場合、サージ電圧が GPIO ピンまたはメイン制御チップの内部トランシーバーに直接印加され、電気的過負荷が発生して半導体構造が焼損します。包括的な保護システムでは、避雷コンポーネントはマイクロ秒またはナノ秒以内に導通し、高エネルギーをアースに流し、残留電圧をコアチップが耐えられる範囲に制限する必要があります。この物理的な放電経路では、PCBA 製造プロセスのすべてのはんだ接合部が極めて低い等価直列抵抗 (ESR) と極めて低い等価直列インダクタンス (ESL) を備えている必要があります。はんだ接合部に肉眼で検出するのが難しい微細な欠陥がある場合、標準の 8/20 マイクロ秒のサージテスト電流を流すと、瞬間的な局所的な過熱 (ジュール加熱効果) によって欠陥領域が溶けたり、亀裂が入ったり、さらにはコンポーネント自体がパッドから剥がれたりする可能性があり、その後の保護が完全に無効になります。

高い電流容量を実現するために、産業用グレードのサージ保護コンポーネントには、大容量のパッケージ、太いリード線、または大面積の放熱パッド-が搭載されることがよくあります。-たとえば、高出力 TVS ダイオードは通常 SMB または SMC パッケージを使用しますが、セラミック製ガス放電管は厚い重金属電極を備えています。これらの物理的特性により、使用中に深刻な熱容量の不均一が生じます。SMTリフローはんだ付けステージ。サージ保護デバイスは大量の熱を吸収するため、この領域の温度上昇は周囲の小さな表面実装抵抗器やコンデンサよりも大幅に遅くなります。-家庭用電化製品で使用される従来のオーブン温度プロファイルが PCBA 製造中に適用される場合、サージ保護デバイスのリードのはんだペーストが完全に溶けないか、リードと PCB パッドの間に均一な厚さの金属間化合物 (IMC) 層が形成されない可能性が高くなります。この状態では、表面は覆われているように見えますが、実際には内部が共融しておらず、冷たいはんだ接合または冷たいはんだが発生します。-この状態は、その後の高電圧サージテスト中に工業用{6}グレードのゲートウェイに最大のリスクをもたらします。-

熱質量が大きいコンポーネントのはんだ付け欠陥を克服するには、プロセスエンジニアが鉛フリーリフローはんだ付けの温度分布を正確に調整し、専用の温度ウィンドウを確立する必要があります。{0}高電流サージ保護コンポーネントを含む回路基板の場合、リフロープロセスの予熱ゾーンと均等化ゾーンを適切に拡張する必要があります。-温度均一化ゾーン (160 度から 190 度) では、厚い金属リードが熱を吸収して基板全体の温度差を最小限に抑えるのに十分な時間を確保するために、この時間を 100 ～ 120 秒維持する必要があります。はんだ付けゾーンに入ると、ピーク温度を 242 度から 248 度の間で厳密に制御し、サージ保護デバイスのリード線が 65 ～ 75 秒間液相線 (217 度) より上に留まるようにする必要があります。正確なエネルギー入力により、はんだペースト内の活性成分が十分に機能し、銅パッドと錫合金の間に厚さ 1 ～ 3 マイクロメートルの理想的な金属間化合物 (IMC) 層の形成が促進されます。これにより、はんだ接合部は良好な導電性を示すだけでなく、高電流サージに耐えるのに必要な機械的引張強度も確保されます。-

避雷装置の場合、はんだ接合部内の気孔率は電流容量にとって重要です。-過度の気孔率は、はんだ接合部の有効な導電断面積を減少させます。-。数アンペア、場合によっては数十アンペアのサージ電流が流れると、空隙率の高い領域では、電流密度の急激な上昇により局所的なエレクトロマイグレーションや熱暴走が発生する可能性があります。品質管理では、ステンシル設計とはんだペーストの選択の両方に同時に取り組む必要があります。大面積の-放熱パッド-を備えたサージ保護デバイスの場合、固体領域の開口部を備えた設計は固く禁止されています。-代わりに、格子状または市松模様の開口部を採用する必要があり、リフローはんだ付け中にフラックスガスが逃げるのに十分なチャネルを確保するために、開口面積率は通常 65% ～ 75% に制限されます。プリント基板の製造現場では、 X線検査装置- サージ保護コンポーネントの 100% 非破壊テストを実行するには、導入する必要があります。-品質合格基準では、サージ保護コンポーネントのはんだ接合内の単一ボイドの面積が 10% を超えてはならず、合計ボイド率が 15% 以下に厳密に制限され、それによって潜在的な電流集中ホットスポットが排除される必要があると規定されています。

産業用グレードのゲートウェイの雷サージ耐性の強化は、回路設計の専門知識の証明であるだけでなく、高水準の製造プロセスの集大成でもあります。{0}{1}厳格なテストに耐えたすべてのはんだ接合は、高品質製品の安定した動作への足がかりとなります。{3}}