ANSYS的博客
2020年3月24日
焊料疲劳原因及预防
随着时间的推移，焊料疲劳是电子组件失效的主要原因，也是整个电子制造行业的严重问题。焊料疲劳会导致焊点失效，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，它会导致断裂和开放的焊点。
要了解更多关于焊点失效的原因，请阅读:焊点失效的5大原因或访问网络研讨会:使用数字图像相关(DIC)确保精确的材料性能模拟．
CTE如何影响焊点?
热膨胀系数(CTE)是一种材料属性，它量化了材料在温度变化期间膨胀或收缩的程度。准确量化CTE对于了解在开发产品时使用什么材料、确定产品中部件的布局以及组件是否可能在其生命周期中遇到焊接疲劳风险至关重要。
经典的焊料疲劳图解。
单个组件和PCB之间过度的CTE不匹配会导致整个组件的持久损坏。例如，上图显示了低CTE组件焊接到高CTE电路板。当组装加热时，组件的形状保持相对不变，而基板膨胀并拉住中间的焊锡球。当组件冷却到低于其原始非受力温度时，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。
焊料球破裂可能是由功率循环、日效应或其他系统效应引起的。
过度约束的一次电路板
除了经典的CTE不匹配外，过度约束的印刷电路板(PCB)也可能发生焊接疲劳，这些电路板相对于其外壳具有显著不同的CTE。这可能导致在热偏移过程中电路板过度弯曲。通常，这是由螺栓连接到刚性金属外壳的板引起的，进入恶劣的环境，如航空航天或汽车应用。
PCBA和外壳的模型(上)，铝外壳中过度约束板的插图(中)和破损的焊点(下)。
例如，考虑一个板螺栓到铝外壳。刚性铝外壳比相对灵活的电路板膨胀和收缩更快。当它膨胀和收缩时，外壳可能弯曲，增加焊点的应力。
在评估电路板在热膨胀期间如何弯曲和弯曲时，了解PCB与其外壳之间的不匹配仍然是至关重要的。
灌封、涂层和底填的玻璃过渡效应
材料的玻璃化转变温度是材料刚度和膨胀特性变化的近似温度。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。在这个温度下，材料更坚硬，更像玻璃，膨胀系数更低。
在选择材料和模拟焊点可靠性时，理解玻璃化转变温度的重要性至关重要。例如，裂纹焊点可能是由连接组件体和板的丙烯酸保形涂层的玻璃过渡效应造成的，在热循环的冷端结束时持续损坏。丙烯酸在大约15摄氏度(59华氏度)时发生玻璃化转变。当它冷却到这个温度以下时，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和玻璃化转变温度仍然至关重要，特别是如果您计划在过渡区域操作。
裂纹焊点是由连接组件体和板的丙烯酸保形涂层的玻璃过渡效应引起的。
焊料疲劳预测
cte相关问题会以多种方式影响热循环过程中焊点的可靠性。其影响是复杂的，仅凭设计规则或工程经验是不可能捕捉到的。仿真可以提供精确预测电子元件焊接疲劳风险所需的解决方案和方法。
在板级，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，如在Ansys夏洛克，这是一款模拟软件，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模拟内部Ansys机械，可用于计算单个元件的关键焊点在热循环期间的累积蠕变功。然后，该输出可以与各种现有的幂律公式一起使用，以生成故障循环数的预测。
无论使用哪种有限元分析(FEA)方法，除非CTE输入正确，否则焊接疲劳预测将不准确。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在没有物理测量的情况下很难估计。Ansys经常在焊接疲劳模拟活动开始时对CTE进行数字图像相关(DIC)测量，以确保准确的材料性能输入。
观看网络研讨会使用数字图像相关(DIC)确保精确的材料性能模拟学习如何使用DIC准确地确定CTE和避免焊接疲劳风险。
结论
焊料疲劳仍然是电子业失效的主要原因。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接疲劳风险，以及存在哪些解决方案来降低风险。
申请免费试用以了解有关Ansys Sherlock的更多信息可以帮助预测和减轻焊料疲劳。
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