焊点失效的5大原因

焊点的可靠性通常是电子系统设计中的一个痛点。各种各样的因素都会影响焊点的可靠性，其中任何一个因素都会大大降低焊点的寿命。在设计和制造过程中正确识别和减轻焊点失效的潜在原因可以防止在产品生命周期后期出现昂贵且难以解决的问题。这里描述了一些最常观察到的焊点失效贡献者。

有关如何防止电子元件的焊料疲劳，请参阅焊锡疲劳的原因和预防博客．

1.来自灌封、底填和保形涂层的意外应力

例如，如果一个组件是浸涂的，涂层将在球栅阵列(BGAs)和四平面无引线(QFNs)等组件下面流动。涂层在热循环过程中会膨胀，并可能将组件从板上“提起”，增加焊点的拉伸应力。

某些组件安装条件和灌封/涂层应用技术会在组件焊点上产生不必要的应力，如拉伸应力。根据所使用的灌封/涂层的材料特性，这些应力可能大到足以对焊点疲劳寿命产生巨大影响。

在指定灌封或涂层时，要考虑的最重要的材料特性是玻璃化转变温度、模量和热膨胀系数——高于和低于玻璃化转变温度。玻璃化转变温度是指材料在硬/玻璃状和软/橡胶状粘稠度之间转变的温度。

了解更多关于玻璃过渡对盆栽，涂料和底填充物的影响焊锡疲劳的原因和预防博客．

灌封的一个常见问题是，当一种材料在产品设计过程中没有完全理解时，会出现意外的高玻璃化转变温度。在一些用于电子灌封的聚合物中，当材料冷却到其玻璃化转变温度以下时，弹性模量可以增加20倍。

如果热循环延伸到这种材料的玻璃转变温度以下，焊料在冷停留期间所经历的应力和由此产生的蠕变应变将是高的和破坏性的。这种效果可以大大减少疲劳寿命。

这里提到的例子仅仅是由于没有充分了解灌封、涂层或底填充物的热和机械材料性能而导致的一些复杂和有害的加载条件。

查看下面的网络研讨会，了解与灌封和涂料相关的可靠性问题。

记录讨论涂料和盆栽的网络研讨会。

2.意想不到的极端温度循环

意外焊点失效的另一个常见原因是电子系统所经历的温度循环参数的不正确描述。例如，开/关周期、暴露在阳光直射下、在不同气候之间旅行和其他几个来源都会给印刷电路板组件(PCBA)或组件增加意外的温度波动。

为了生成电子系统最准确的可靠性指标，在进行有限元分析(FEA)模拟或物理产品验证之前，必须详细描述其所经历的温度循环。

的Ansys夏洛克该团队已经成功地用布拉陶模型预测了疲劳寿命。该模型是基于能量的半经验模型，表明疲劳寿命高度依赖于温度范围、停留时间和温度斜坡率。如果在设计或测试过程中没有充分了解斜坡、住所、最高温度和最低温度，则可能会忽略影响产品可靠性的关键因素。

此外，如果组件包含盆栽或其他聚合物，如果不能准确确定最高和最低温度，则出现上述玻璃化转变问题的风险会增加。

3.机械过度应力事件

当焊点在机械事件(如冲击、跌落、在线测试、电路板脱板、连接器插入或PCBA插入)中经历过度负载时，就会发生机械超应力故障。

压力过大的失败很难预防，因为它们通常很难预测。冲击试验研究表明，这种故障的最佳解决方案是随机故障分布。

焊点超应力失效通常表现为沿金属间连接(IMC)的垫坑或接头断裂。焊盘凹坑是焊点铜焊盘下方层压层上的凹坑状裂纹。IMC是铜垫和焊料结合形成铜的区域_3.Sn或Cu₆Sn₅．它是焊点最脆的区域，这就是为什么它是最容易受到过度应力影响的区域。

这种类型的失效通常出现在细节距组件上-主要是bga -或使用特别脆的层压板时。垫层坑洞是一个严重的问题，因为它经常导致微量裂缝。与疲劳裂纹相反，疲劳裂纹通常发生在焊点的大块上，当机械超应力失效表现为接头断裂时，它们通常沿内模c发生。

由于机械事件失效可能高度依赖于PCB边界条件和几何形状，通常推荐使用FEA来预测机械超应力风险。复杂的加载条件或板形状很难用其他方法预测。此外，有限元分析允许应变和曲率量化。

这里有一个伟大的资源，讨论如何减少电子组件的冲击相关故障。

记录讨论保证可靠性的网络研讨会
用机械冲击。

4.PCBA过约束条件

约束会降低电路板的合规性，并产生电路板应变，从而导致放置过于紧密的组件上的焊点过早失效。此外，挂载点的整体布局将直接影响PCBA可能的模态振型。

如果不能很好地理解这些模态振型，则可以将电路板设计成将敏感元件放置在高板应变区域的方式。FEA是解决这一问题的强大缓解工具，因为它允许用户迭代不同的安装条件。

组件镜像是另一种常见的过度约束条件，会对焊点寿命产生负面影响。镜像是指PCBA两侧相似位置的两个组件的位置。

镜像通过限制板的运动来降低组件的封装合规性，这会在焊点中产生额外的应力。研究表明，部件镜像可以将疲劳寿命缩短2到3倍。

这里有一个很好的资源，讨论系统级的影响焊点的可靠性。

记录讨论系统级别影响的网络研讨会
焊点可靠性。

5.焊接缺陷

如果焊点质量较差，上述所有缓解策略都不能防止焊点可靠性问题。出于这个原因，必须使用一个严格控制工艺的有信誉的制造商来构建pcba。

各种各样的焊点缺陷都会对可靠性产生负面影响。在pcba到达现场之前，应进行焊点的横截面和视觉检查，以确保实现制造质量指标。

IPC，连接电子工业协会，提供所有类型焊点的制造标准和可接受性准则。它们通常被认为是创建高质量焊点的行业标准。

Ansys Sherlock是减轻焊接失效的另一个有用工具。它是一个自动化设计分析软件解决方案，提供可靠性物理和失效物理(PoF)基于电子设计。要了解它如何帮助预测焊料疲劳，请查看已录制的网络研讨会:可靠性物理分析导论“，．