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小鹏G3为什么会被召回,没用好锡膏

  • 鑫富锦十年间做焊锡研发生产过程中,就有接触过电池上面的超高压锡膏,也为客户研发过,比亚迪电池、比克电池等厂家都有接触过,也曾经为电池厂商定做过专用的超高压锡膏。
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        新闻大家都看过,小鹏汽车发布通知,召回2019年3月29日至2020年9月27日生产的部分小鹏G3汽车,共计13399辆,截止到鑫富锦锡膏厂家这篇文章发布的时候,好几个头部车企都发生了召回汽车的通告,蔚来汽车是电池系统,威马汽车也是电池系统,理想汽车是底盘,小鹏汽车这次是逆变器系统,问题出在哪里,多种多样,接下来鑫富锦锡膏生产厂家就小鹏汽车召回的原因做分析。鑫富锦十年间做焊锡研发生产过程中,就有接触过电池上面的超高压锡膏,也为客户研发过,比亚迪电池、比克电池等厂家都有接触过,也曾经为电池厂商定做过专用的超高压锡膏。

一、召回原因:没有使用超高压锡膏,焊锡问题,出现锡须


       我们先来看看小鹏官方的表述:“逆变器直流母线电容上连接铜排螺丝的镀锡端子因锡须可能会造成高压直流电正负极间短路,导致逆变器无高压电供应。当这种情况发生时,如果车辆处于停车状态,可能无法再次启动;如果车辆处于行驶状态,可能导致车辆失去动力,存在安全隐患。”小鹏汽车曾经做过一期行驶15万公里的拆机活动,网上找了找照片,可以看到逆变器内的图片:

小鹏汽车内的焊锡位置.jpg

       其实出现这种问题和以前的极星车型是相同的,问题的爆发也是相同的焊锡问题:召回2019年9月12日至2020年8月22日生产的2021年款国产极星2首发版纯电动汽车,共计551辆。本次召回范围内的车辆,前后桥逆变器大容量电容上的螺丝连接的镀锡端子的锡须会造成高压直流电正负极间短路,导致前后桥逆变器没有高压电供应。当这种情况发生时,如果车辆处于停车状态,可能无法启动,如果车辆处于行驶状态,可能导致车辆行驶中失去动力,存在安全隐患。也是锡须生长造成了超高压电压下的放电,导致短路问题出现。两款车都是同样的问题,鑫富锦锡膏认为是厂家没有使用好锡膏的问题,或者使用的焊接锡线纯度过高出现锡须的过度生长。

       出现这种失效问题非常难查找原因,在静止或者行驶过程中都有可能出现,有可能会有震动导致锡须的位移,锡须导电造成空气电离成导体,正负极之间出现短路的情况,我们知道,锡膏主要用作焊接,焊点之间造成短路将会烧坏电池或者造成电池过渡放电而损坏。


二、为什么高压电路需要使用高压焊锡膏


       由于金属铅对人体的危害以及对环境造成污染问题,电子元器件的贴装、焊接现在正在逐步转换为无铅焊锡,而做无铅焊锡,金属焊点的位置金属锡含量高,必不可少的会产生锡须的生长,锡须是从纯锡或锡合金镀层表面自发生长出来的一种细长形状的纯锡的结晶,锡须的直径通常为1~3μm;长度通常为1μm到1mm,最长可达到9mm。锡须的形状多样,锡须一般呈现直线形、弯曲形、扭结形甚至是环状,外表面有不规则的条纹。

锡膏焊接后锡须.jpg

       锡须的材质是金属锡,晶体状,具有一定的导电性,在电子电路中,锡须的生长有可能会导致电器短路,降低电子元器件焊点间的绝缘可靠性,甚至会引发电器故障,锡须电流承载能力通常可达10mA,最高可达50mA,不过可喜的是,当通过锡须的电流过大时,锡须有可能会被熔化,对于镂空的电路板短路一下就有可能恢富正常,但是也有可能熔断后连接到其它的焊点造成短路。PCB产品日趋小型化,焊点之间的距离越来越短,探究锡须的产生机理,从中发现锡须的抑制方法,是无铅焊料推行必须要解决的关键问题。


三、锡须的生长条件:

锡须.jpg

       (1)应力源:锡须生长的驱动力,其分为内部应力与外部应力。其中锡须自然条件下生长主要为内部的内应力,如Cu/Sn界面间形成金属间化合物Cu6Sn5(IMC层)对锡层产生的压应力;以及使用过程可能受到的机械应力、热应力、焊接时的残余应力、电致应力等[2,3]。

       (2)Sn表面具有一层氧化层对Sn晶粒起到束缚作用,导致Sn层内应力只能在氧化膜的薄弱处的局部释放产生锡须,而锡层中形成应力梯度,引发已产生锡须的位置持续生长[2,3];

       (3)Sn原子长范围扩散,以提供维持生长所需的Sn原子。当以上条件具备时,Sn原子在应力梯度作用下将扩散至基体表面,并且通过形成锡须释放系统内应力[2,3]。


四、锡须的生长过程


       过程1:Cu/Sn结合界面发生原子相互扩散,Cu向Sn的扩散速率VCu远大于Sn向Cu的扩散速率VSn。

       过程2:Cu向Sn的扩散过程受“晶界效应”影响,Cu将主要往Sn层晶粒的间隙处扩散,并且与Sn层中的Sn原子在晶粒间隙形成Cu6Sn5,结合界面发生原子相互扩散,Cu向Sn的扩散速率VCu远大于Sn向Cu的扩散速率VSn,由各物质的相对原子质量和密度计算可得,Cu原子向Sn晶界中扩散并形成Cu6Sn5时,与原位Sn原子所占体积相比,Cu6Sn5的形成将使得体积增加44.8%。由固态相变理论可知,若新相与母相的比容不同,新相形成时的体积变化将受到周围母相的约束,从而产生弹性应变。因此,界面处形成的Cu6Sn5由于其比容比基体大,将导致锡层内产生压应力[4]。

       过程3:由于锡层晶粒的会存在大小不均匀的现象,不规则的晶界处形成的Cu6Sn5越多,产生的压应力越大,更容易是顶部突破氧化膜的束缚形成锡须。因此,锡层中的压应力是锡须生长的根源。

       过程4:随着界面处IMC层的继续生长,对镀层产生了持续的压应力,而镀层中的压应力会往已经生长锡须的位置或氧化膜薄弱处释放内应力,由此在Sn层的内部形成了持续的压力梯度,促使锡须生长。

       过程5:随着Cu/Sn界面处Cu6Sn5层反应至一定厚度,Cu6Sn5层开始降低Cu向Sn的扩散速率,随后在界面处反应生成Cu3Sn,降低了对镀层的压应力,从而锡须的生长速度开始减缓,Cu/Sn界面几乎不产生新的IMC层时,锡须便会因为缺乏应力源而停止生长。

故根据锡须生长的5个过程,锡须的生长可分为孕育期、快速生长期和低速生长至停止期三个阶段,如图4所示。

锡须生长过程.jpg

五、锡须的生长与预防


       根据锡须生长过程特性,可以得出对锡须生长产生影响的主要因素的表达式:

h=ƒ(A,B,C,D,E,...)式中,A:Cu原子扩散速度;B:氧化膜强度;C:Sn层厚度;D:Sn晶粒均匀性;E:Sn晶粒大小;

其中A:Cu原子扩散速度,主要与环境温度关系较大,温度较高时Cu原子更活跃,扩散速度更快,但当温度太高时,扩散速度的增加,Sn层内部的应力会通过原子扩散而得到释放,反而抑制会锡须快速生长。根据目前的研究,锡须较适宜的生长时效温度通常在50-85℃之间;

B:氧化膜强度,主要与环境湿度关系较大,湿度会影响Sn面氧化膜的结构,高湿环境会是应力更容易在氧化膜的薄弱点释放而产生锡须;

C:Sn层厚度,Sn层厚度主要影响的是应力释放的条件,锡层越厚内应力通常在Sn内部通过Sn原子的扩散而消散,越难以产生锡须;

D与E:Sn晶粒均匀性与Sn晶粒的大小,主要与PCB化学沉锡表面处理的药水体系相关,大的Sn晶粒。


六、鑫富锦锡膏厂家如何处理


       在超高压位置进行焊接,不可以使用纯锡的Sn99.3Cu0.7焊料,应该使用多合金焊料,可以通过在焊锡膏中添加Ag、Bi、Cu、Ni类金属元素,降低焊锡膏中的金属锡含量,从而可以从根本上抑制金属锡须的生长,降低金属锡原子的扩散与迁移。从源头上解决这种金属纯锡的锡须生长。

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