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電子設備熱循環失效機理

作者: 網絡 編輯: 瑞凱儀器 來源: 網絡 發布日期: 2021.07.14
    在熱循環環境下,電子設備中不同材料的熱膨脹系數的差別,導致元器件與PCB基本板連接處產生很高的應力和應變。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,焊點高度h。PCB板的膨脹系數大于元器件,XS>XC,此時元器件引線和焊點將承受應力。引線承受彎曲應力,產生塑性彎曲變形,若引線存在又尖又深的割痕,導致嚴重應力集中,會導致引線斷裂失效。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壽命,大多數電子設備在壽命期內不會遇到這樣多大的熱應力循環。焊點由于在高溫下強度較低,在熱循環中會產生較大的蠕變和應力松弛,從而產生裂紋,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,焊點承受更大的應變,如圖2所示。

電子設備熱循環失效機理

    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,錫鉛(Sn-Pb)焊料容易發生蠕變和應力松弛,溫度越過或應力水平越高時,焊料的蠕變和應力松弛越快。
    熱循環導致焊點合金內部產生熱應力-應變循環,同時引發焊點金屬學組織的演化(晶粒組織變粗糙)。力學和金屬學因素的共同作用,導致宏觀表象為焊點裂紋的萌生與擴展,引起電信號傳輸失真的失效現象。隨著疲勞損傷累積,焊點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,進一步增長并聚集成大裂紋。

    圖3表示焊點粘塑性的蠕變應力松弛的疲勞過程。圖中一個循環滯回環區域表示消耗一個疲勞循環。粘塑性應變能引起的疲勞損傷,是由一個個周期積累形成的。在較高溫度下,幾十分鐘,在較低的溫度下需要幾天,焊點應力會完全松弛,造成的塑性應變,超過這個時間將不會引起更多的疲勞損傷。

累積疲勞損傷

    圖3中,無引線的焊點會進入屈服階段,每個循環疲勞損傷較大。有引線的焊點,由于引線的應力明顯低于焊點屈服強度,大大減少了每個循環的疲勞損傷。
    加速試驗時,為了節約時間,停留時間是不足以使得應力完全松弛。其回環區域比相應的能承受完全應力松弛條件下的回環區域小很多。在同樣的溫度循環范圍下,加速試驗的循環次數不直接等同于實際運行的循環次數。
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