万博ANSYS的博客
2020年3月24日
焊料疲劳的原因及预防
随着时间的推移，焊料疲劳是电子组件失效的主要原因，也是电子制造行业的一个严重问题。由于焊料疲劳，它可能导致焊点失效，导致产品变形或无法操作，从而对业务、产品开发和上市时间产生负面影响。
焊料疲劳的主要原因是热膨胀系数(CTE)不匹配，随着时间的推移会导致焊点断裂和打开。
要了解有关焊点故障原因的更多信息，请阅读:焊点失效的五大原因或访问网络研讨会:确保数字图像相关(DIC)模拟中准确的材料特性．
CTE如何影响焊点?
热膨胀系数(CTE)是一种量化材料在温度变化时膨胀或收缩程度的材料特性。准确量化CTE对于了解在开发产品时使用什么材料，确定产品中零件的布局以及组件在其生命周期中是否可能遇到焊接疲劳风险至关重要。
经典焊料疲劳图解。
单个组件和PCB之间过多的CTE不匹配可能导致整个组件的持久损坏。例如，上图显示了一个低CTE组件焊接到高CTE电路板上。当组装加热时，元件形状保持相对不变，而衬底膨胀并拉住中间的焊球。当组件冷却到低于其原始非应力温度时，将发生相反的效果。随着时间的推移，由于电源循环、昼夜效应或其他系统效应，温度从热到冷循环，焊料疲劳并最终断裂。
焊锡球破裂可能是由电源循环、昼夜效应或其他系统效应引起的。
过约束的初级电路板
除了典型的CTE不匹配之外，由于印刷电路板(PCB)的CTE相对于其外壳具有显着差异，因此也可能出现焊料疲劳。这可能导致板在热偏移时过度弯曲。通常，这是由于电路板被螺栓固定在刚性金属外壳中，进入坚固的环境，如航空航天或汽车应用。
PCBA和外壳的模型(上)，铝制外壳中过度约束板的示意图(中)和破损的焊点(下)。
例如，考虑一个板螺栓到铝制外壳。刚性铝制外壳比相对灵活的电路板膨胀和收缩得更快。当它膨胀和收缩时，外壳可能会弯曲，从而增加焊点的应力。
在评估电路板在热膨胀过程中如何弯曲时，了解PCB与其外壳之间的不匹配仍然至关重要。
灌封、镀膜和下填料的玻璃化转变效应
材料的玻璃化转变温度是材料的刚度和膨胀特性发生变化的近似温度。在玻璃化转变温度以上，材料更柔软，更像橡胶，膨胀系数更高。低于这个温度，材料更硬，更像玻璃，膨胀系数更低。
在选择材料和模拟其以评估焊点可靠性时，了解玻璃化转变温度的重要性至关重要。例如，连接组件体和电路板的丙烯酸保形涂层的玻璃过渡效应可能导致焊点开裂，在热循环的冷端结束时持续损坏。丙烯酸在15摄氏度(59华氏度)左右发生玻璃化转变。当它冷却到低于这个温度时，它会变得非常坚硬，压碎焊点，并随着每次热循环而增加损伤。
了解这些材料的CTE和玻璃化转变温度至关重要，特别是如果您计划在过渡区域操作。
裂纹焊点是由桥接组件体和板的丙烯酸保形涂层的玻璃过渡效应造成的。
焊料疲劳预测
cte相关问题会以各种方式影响热循环过程中焊点的可靠性。其影响是复杂的，不太可能仅凭设计规则或工程经验来捕捉。仿真可以提供准确预测电子元件内焊料疲劳风险所需的解决方案和方法。
在电路板层面，常见的焊料疲劳预测方法是使用封闭形式的焊料疲劳失效模型，例如在万博Ansys夏洛克这是一款模拟软件，它使用基于故障物理(PoF)的电子设计，在早期设计阶段提供组件、电路板和系统级别的寿命预测。Sherlock内部的封闭式方程考虑了组件和PCB材料、组件尺寸、焊料材料和其他因素，可以快速预测电子组装中所有组件的焊料疲劳行为。
在组件级别，详细的3D模拟里面万博Ansys机械，可用于计算单个元件在热循环过程中临界焊点的累积蠕变功。然后，该输出可以与各种现有幂律公式一起使用，以生成到失效的循环次数的预测。
无论使用何种有限元分析(FEA)方法，除非CTE输入正确，否则焊料疲劳预测将不准确。在电子工业中，电路板和组件层压板通常具有复杂的结构，其cte很难在没有物理测量的情况下估计。万博Ansys经常在焊料疲劳模拟活动开始时对CTE进行数字图像相关(DIC)测量，以确保准确的材料属性输入。
观看网络研讨会确保数字图像相关(DIC)模拟中准确的材料特性学习如何准确地确定CTE并使用DIC避免焊料疲劳风险。
结论
焊料疲劳仍然是导致电子产品失效的主要原因。大多数设计和制造电子产品的公司可能都遇到过这个问题。准确量化组件和PCB cte，并进行知情的热循环模拟，可以为公司提供可操作的数据，以确定产品是否面临焊料疲劳风险，以及存在哪些解决方案来降低风险。万博网
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