電子設(shè)備熱循環(huán)失效機(jī)理
作者：
網(wǎng)絡(luò)
編輯：
瑞凱儀器
來源：
網(wǎng)絡(luò)
發(fā)布日期： 2021.07.14
在熱循環(huán)環(huán)境下，電子設(shè)備中不同材料的熱膨脹系數(shù)的差別，導(dǎo)致元器件與PCB基本板連接處產(chǎn)生很高的應(yīng)力和應(yīng)變。典型元器件連接如圖1所示，PCB板膨脹位移XS，元器件膨脹位移XC，焊點(diǎn)高度h。PCB板的膨脹系數(shù)大于元器件，XS>XC，此時(shí)元器件引線和焊點(diǎn)將承受應(yīng)力。引線承受彎曲應(yīng)力，產(chǎn)生塑性彎曲變形，若引線存在又尖又深的割痕，導(dǎo)致嚴(yán)重應(yīng)力集中，會導(dǎo)致引線斷裂失效。若引線工藝完好正常，在很小的位移情況下，引線彎曲疲勞具有上百萬循環(huán)壽命，大多數(shù)電子設(shè)備在壽命期內(nèi)不會遇到這樣多大的熱應(yīng)力循環(huán)。焊點(diǎn)由于在高溫下強(qiáng)度較低，在熱循環(huán)中會產(chǎn)生較大的蠕變和應(yīng)力松弛，從而產(chǎn)生裂紋，直至斷裂。
對于無引線的元器件焊接，由于沒有引線的彎曲作用，焊點(diǎn)承受更大的應(yīng)變，如圖2所示。
錫鉛（Sn-Pb）焊料由于其突出的可焊性和可靠性，目前是主要的焊料材料，其融化溫度TM=183℃。溫度超過20℃時(shí)，錫鉛（Sn-Pb）焊料容易發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛，溫度越過或應(yīng)力水平越高時(shí)，焊料的蠕變和應(yīng)力松弛越快。
熱循環(huán)導(dǎo)致焊點(diǎn)合金內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)，同時(shí)引發(fā)焊點(diǎn)金屬學(xué)組織的演化（晶粒組織變粗糙）。力學(xué)和金屬學(xué)因素的共同作用，導(dǎo)致宏觀表象為焊點(diǎn)裂紋的萌生與擴(kuò)展，引起電信號傳輸失真的失效現(xiàn)象。隨著疲勞損傷累積，焊點(diǎn)的疲勞壽命消耗大約25%到50%之后，在晶粒交界處形成微孔洞，這些微孔洞增長形成微裂紋，進(jìn)一步增長并聚集成大裂紋。
圖3表示焊點(diǎn)粘塑性的蠕變應(yīng)力松弛的疲勞過程。圖中一個(gè)循環(huán)滯回環(huán)區(qū)域表示消耗一個(gè)疲勞循環(huán)。粘塑性應(yīng)變能引起的疲勞損傷，是由一個(gè)個(gè)周期積累形成的。在較高溫度下，幾十分鐘，在較低的溫度下需要幾天，焊點(diǎn)應(yīng)力會完全松弛，造成的塑性應(yīng)變，超過這個(gè)時(shí)間將不會引起更多的疲勞損傷。
圖3中，無引線的焊點(diǎn)會進(jìn)入屈服階段，每個(gè)循環(huán)疲勞損傷較大。有引線的焊點(diǎn)，由于引線的應(yīng)力明顯低于焊點(diǎn)屈服強(qiáng)度，大大減少了每個(gè)循環(huán)的疲勞損傷。
加速試驗(yàn)時(shí)，為了節(jié)約時(shí)間，停留時(shí)間是不足以使得應(yīng)力完全松弛。其回環(huán)區(qū)域比相應(yīng)的能承受完全應(yīng)力松弛條件下的回環(huán)區(qū)域小很多。在同樣的溫度循環(huán)范圍下，加速試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)不直接等同于實(shí)際運(yùn)行的循環(huán)次數(shù)。
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