焊点失效的五大原因

焊点可靠性通常是电子系统设计中的一个难点。影响焊点可靠性的因素有很多，任何一个因素都可能大幅缩短焊点使用寿命。在设计和制造过程中正确识别和减少焊点失效的潜在原因，可以防止在产品生命周期的后期阶段出现成本高昂且难以解决的问题。以下介绍一些导致焊点失效的最常见因素。

在“焊接疲劳原因和预防”博客中了解关于如何防止电子组件焊接疲劳的更多信息。

1.灌封、底部充胶和适形涂层造成的非预期应力

例如,如果装配体采用浸渍涂膜法,那么涂层将会流到球栅阵列(BGA)和方形扁平无引线(QFN)等组件下方。涂层会在热循环过程中膨胀，可能把组件“顶出”板外，这就会对焊点造成拉伸应力。

特定组件安装条件和灌封/涂层应用技术会对组件焊点产生不必要的应力，比如拉伸应力。根据所用灌封/涂层的材料属性，这些应力可能大到足以对焊点疲劳寿命产生巨大影响的程度。

在指定灌封或涂层时要考虑的最重要的材料属性问题就是玻璃转换温度、模量和热膨胀系数,高于或低于玻璃转换温度。玻璃转换温度是指材料在类似玻璃硬度和类似橡胶软度之间转换的温度。

在“焊接疲劳原因和预防”博客中了解更多关于玻璃转换对灌封、涂层和底部充胶的影响。

常见的一个灌封问题是，材料的玻璃转换温度出乎意料的高，这与产品设计过程中没有完全理解材料有关。就电子灌封使用的一些聚合材料而言，当材料冷却到玻璃转换温度以下时其弹性模量会增加20倍。

如果热循环延伸到这种材料的玻璃转换温度以下，那么焊接在冷停留期间承受的应力和由此形成的蠕变应变将会很高且具有破坏性。这种效应会大幅缩短焊接疲劳寿命。

这里给出的例子只是一些复杂和有害的加载条件，这些条件可能是由于没有全面了解灌封、涂层、底部充胶的热和机械材料属性而导致的。

观看下面的网络研讨会，了解与灌封和涂层相关的可靠性问题。

讨论涂层和灌封的网络研讨会录制视频。

2.意料之外的温度循环极限

另一个焊点意外失效的常见原因是电子系统经受的温度循环参数定义不准确。例如,开关周期,阳光直射,不同气候变化以及其它问题来源都可能增加印刷电路板装配(PCBA)或组件的意外温度波动。

要生成电子系统最准确的可靠性指标,就必须在运行有限元分析(有限元分析)仿真或进行实体产品认证之前详细确定产品将会经历的温度循环。

万博Ansys Sherlock团队已成功使用Blattau模型生成了疲劳寿命预测。该模型是一个基于能源的半经验模型，说明疲劳寿命与温度范围、停留时间和温度变化率密切相关。如果设计或测试阶段不能充分了解温度变化、停留时间以及最高温度和最低温度，那么就可能忽视影响产品可靠性的关键因素。

此外，如果装配体包含灌封或其它聚合物，那么在最高和最低温度尚未准确判断的情况下，就会增加上述玻璃转换问题的风险。

3.机械过应力事件

如果焊点在机械事件中受到的负载过大,比如冲击,坠落,在线测试,电路板拆卸,连接器插入或PCBA插入等,就会发生机械过应力故障。

由于过应力故障难以预测，因此也难以预防。冲击测试研究显示，最佳解决方案就是随机分布此类故障。

沿imc断裂

焊点过应力故障通常表现为焊盘坑裂或焊点沿着金属连接处(imc)断裂。焊盘坑裂是指在焊接铜片下方层压层出现坑状断裂。IMC是指铜片和焊料结合形成Cu_3.Sn或Cu₆Sn₅的区域。这是焊点最脆弱的区域，所以最容易出现过应力问题。

这种类型的故障通常见于间距较小的组件，主要是bga，或者使用较脆的层压材料时。焊盘坑裂是一个严重问题，因为它通常会导致迹线断裂。与通常发生在大块焊点的疲劳裂纹不同，当机械过应力故障表现为焊点断裂时，它们通常发生在imc上。

由于机械事件故障与PCB边界条件和几何结构密切相关,因此我们通常建议使用有限元分析来预测机械过应力风险。复杂的加载条件或电路板形状很难用其它方法预测。此外，fea也能支持应变和曲率量化。

下面给出了一个不错的资源，探讨如何减少电子装配体的冲击相关故障。

讨论受到机械冲击仍能确保可靠性的
网络研讨会录制视频。

4.pcba过度约束条件

约束条件会影响电路板合规性并造成电路板应变，这可能会导致彼此过于靠近的组件过早出现焊点故障。此外，安装点的整体布局将直接影响pcba可能的模态形状。

如果不能很好地了解这些模态形状，那么电路板的设计可能会导致敏感组件聚集在高应变区域。fea是一款强大的工具，可以解决此类问题，因为它能帮助用户迭代不同的安装条件。

组件镜像是另一个常见的过度约束条件，会对焊点寿命带来不利影响。镜像是指两个组件在pcba两侧对应的相似位置。

仿真控制板和镜像板

镜像通过约束电路板的移动来降低组件封装的合规性，从而在焊点产生更多应力。研究表明，组件镜像会减少疲劳寿命2-3倍。

下面给出一个很好的资源，探讨焊点可靠性的系统级影响。

讨论焊点可靠性的系统级影响的
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5.焊接缺陷

如果焊点质量较差，那么上述所有应对策略都无法避免焊点可靠性问题。因此，必须选择信誉良好的制造商通过严格控制流程来构建pcba。

各种焊接缺陷的存在都可能对可靠性造成不良影响。在pcba到达现场之前应对截面和焊点进行检查，以确保材料满足制造质量指标。

国际电子工业联接协会(ipc)， 国可为所有类型的焊点提供制造标准和可接受标准，其通常被视为打造高质量焊点的行业标准。

万博Ansys夏洛克是另一款应对焊点失效问题的实用工具,它是一款自动化设计分析软件解决方案,能提供基于可靠性物理和故障物理的电子设计。如欲了解该工具如何帮助您预测焊点疲劳，敬请阅读：万博Ansys Sherlock:自动化设计分析。

或者，观看录制的网络研讨会：可靠性物理分析介绍。