電子設備熱循環失效機理
作者：
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編輯(ji)：
瑞凱(kai)儀器(qi)
來源：
網絡(luo)
發布日期(qi)： 2021.07.14
在(zai)(zai)(zai)熱(re)(re)循(xun)環(huan)(huan)環(huan)(huan)境下，電(dian)子設備中(zhong)不(bu)同材(cai)料的(de)熱(re)(re)膨脹(zhang)系數的(de)差別(bie)，導致元(yuan)器件(jian)(jian)與PCB基本板(ban)連接處產(chan)生很(hen)高的(de)應力和應變。典型元(yuan)器件(jian)(jian)連接如圖1所(suo)示，PCB板(ban)膨脹(zhang)位(wei)移(yi)XS，元(yuan)器件(jian)(jian)膨脹(zhang)位(wei)移(yi)XC，焊(han)(han)點高度h。PCB板(ban)的(de)膨脹(zhang)系數大(da)于(yu)元(yuan)器件(jian)(jian)，XS>XC，此(ci)時(shi)元(yuan)器件(jian)(jian)引(yin)線和焊(han)(han)點將承受應力。引(yin)線承受彎(wan)(wan)曲應力，產(chan)生塑性(xing)彎(wan)(wan)曲變形，若引(yin)線存在(zai)(zai)(zai)又(you)尖又(you)深(shen)的(de)割(ge)痕(hen)，導致嚴重應力集中(zhong)，會(hui)導致引(yin)線斷(duan)裂失效(xiao)。若引(yin)線工藝完好(hao)正常，在(zai)(zai)(zai)很(hen)小的(de)位(wei)移(yi)情況下，引(yin)線彎(wan)(wan)曲疲勞(lao)具有上百萬循(xun)環(huan)(huan)壽命，大(da)多數電(dian)子設備在(zai)(zai)(zai)壽命期內不(bu)會(hui)遇到這樣(yang)多大(da)的(de)熱(re)(re)應力循(xun)環(huan)(huan)。焊(han)(han)點由于(yu)在(zai)(zai)(zai)高溫下強度較低(di)，在(zai)(zai)(zai)熱(re)(re)循(xun)環(huan)(huan)中(zhong)會(hui)產(chan)生較大(da)的(de)蠕變和應力松弛，從而產(chan)生裂紋，直(zhi)至斷(duan)裂。
對于(yu)(yu)無引線的(de)元器件焊(han)接(jie)，由于(yu)(yu)沒有引線的(de)彎曲(qu)作用，焊(han)點承受更大的(de)應(ying)變，如圖2所示。
錫鉛(qian)(qian)（Sn-Pb）焊(han)料(liao)(liao)(liao)由于其突出的可焊(han)性(xing)和(he)可靠性(xing)，目前是主(zhu)要的焊(han)料(liao)(liao)(liao)材料(liao)(liao)(liao)，其融化溫度TM=183℃。溫度超過20℃時，錫鉛(qian)(qian)（Sn-Pb）焊(han)料(liao)(liao)(liao)容易發生蠕(ru)變和(he)應(ying)力松弛(chi)，溫度越過或應(ying)力水平越高時，焊(han)料(liao)(liao)(liao)的蠕(ru)變和(he)應(ying)力松弛(chi)越快。
熱(re)循環(huan)導(dao)致焊(han)點(dian)合金內(nei)部產(chan)生熱(re)應力(li)-應變(bian)循環(huan)，同(tong)(tong)時引發(fa)焊(han)點(dian)金屬學(xue)組織(zhi)的(de)(de)演化(hua)（晶粒(li)組織(zhi)變(bian)粗糙）。力(li)學(xue)和金屬學(xue)因素的(de)(de)共同(tong)(tong)作用(yong)，導(dao)致宏觀表(biao)象為(wei)焊(han)點(dian)裂(lie)紋(wen)(wen)的(de)(de)萌生與擴展，引起(qi)電信號傳輸失(shi)真的(de)(de)失(shi)效現象。隨著疲勞(lao)損(sun)傷累積，焊(han)點(dian)的(de)(de)疲勞(lao)壽命消耗大約25%到50%之后，在晶粒(li)交界處形成微孔洞，這些(xie)微孔洞增(zeng)長形成微裂(lie)紋(wen)(wen)，進一步增(zeng)長并聚(ju)集成大裂(lie)紋(wen)(wen)。
圖3表(biao)示焊點(dian)粘塑性的(de)(de)(de)蠕變(bian)應(ying)(ying)力(li)松(song)弛(chi)的(de)(de)(de)疲勞過程。圖中一(yi)個(ge)循環(huan)(huan)滯(zhi)回環(huan)(huan)區域表(biao)示消耗一(yi)個(ge)疲勞循環(huan)(huan)。粘塑性應(ying)(ying)變(bian)能引起(qi)(qi)的(de)(de)(de)疲勞損(sun)(sun)傷，是由一(yi)個(ge)個(ge)周期積累(lei)形成的(de)(de)(de)。在較高溫度下，幾十分(fen)鐘，在較低的(de)(de)(de)溫度下需要幾天，焊點(dian)應(ying)(ying)力(li)會完全松(song)弛(chi)，造成的(de)(de)(de)塑性應(ying)(ying)變(bian)，超過這(zhe)個(ge)時間(jian)將(jiang)不(bu)會引起(qi)(qi)更多的(de)(de)(de)疲勞損(sun)(sun)傷。
圖3中，無引(yin)(yin)線的焊點(dian)(dian)(dian)會進入(ru)屈(qu)(qu)服(fu)階段，每個循環(huan)疲(pi)勞損(sun)(sun)傷(shang)(shang)較大(da)(da)。有引(yin)(yin)線的焊點(dian)(dian)(dian)，由于引(yin)(yin)線的應力(li)明顯低于焊點(dian)(dian)(dian)屈(qu)(qu)服(fu)強度，大(da)(da)大(da)(da)減少了每個循環(huan)的疲(pi)勞損(sun)(sun)傷(shang)(shang)。
加(jia)速試(shi)驗時(shi)(shi)，為了節約時(shi)(shi)間，停(ting)留時(shi)(shi)間是不(bu)(bu)足以使(shi)得(de)應(ying)力完全松弛。其回環(huan)區域比相應(ying)的能承受完全應(ying)力松弛條件下的回環(huan)區域小很多。在(zai)同樣的溫(wen)度循(xun)環(huan)范(fan)圍下，加(jia)速試(shi)驗的循(xun)環(huan)次(ci)數不(bu)(bu)直接(jie)等(deng)同于實際運行的循(xun)環(huan)次(ci)數。
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