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电子设备热循环失效机理

作者: 网络 编辑: 瑞凯仪器 来源: 网络 发布日期: 2021.07.14
    在热循环环境下,电子设备中不同材料的热膨胀系数的差别,导致元器件与PCB基本板连接处产生很高的应力和应变。典型元器件连接如图1所示,PCB板膨胀位移XS,元器件膨胀位移XC,焊点高度h。PCB板的膨胀系数大于元器件,XS>XC,此时元器件引线和焊点将承受应力。引线承受弯曲应力,产生塑性弯曲变形,若引线存在又尖又深的割痕,导致严重应力集中,会导致引线断裂失效。若引线工艺完好正常,在很小的位移情况下,引线弯曲疲劳具有上百万循环寿命,大多数电子设备在寿命期内不会遇到这样多大的热应力循环。焊点由于在高温下强度较低,在热循环中会产生较大的蠕变和应力松弛,从而产生裂纹,直至断裂。

    对于无引线的元器件焊接,由于没有引线的弯曲作用,焊点承受更大的应变,如图2所示。

电子设备热循环失效机理

    锡铅(Sn-Pb)焊料由于其突出的可焊性和可靠性,目前是最主要的焊料材料,其融化温度TM=183℃。温度超过20℃时,锡铅(Sn-Pb)焊料容易发生蠕变和应力松弛,温度越过或应力水平越高时,焊料的蠕变和应力松弛越快。
    热循环导致焊点合金内部产生热应力-应变循环,同时引发焊点金属学组织的演化(晶粒组织变粗糙)。力学和金属学因素的共同作用,导致宏观表象为焊点裂纹的萌生与扩展,引起电信号传输失真的失效现象。随着疲劳损伤累积,焊点的疲劳寿命消耗大约25%到50%之后,在晶粒交界处形成微孔洞,这些微孔洞增长形成微裂纹,进一步增长并聚集成大裂纹。

    图3表示焊点粘塑性的蠕变应力松弛的疲劳过程。图中一个循环滞回环区域表示消耗一个疲劳循环。粘塑性应变能引起的疲劳损伤,是由一个个周期积累形成的。在较高温度下,几十分钟,在较低的温度下需要几天,焊点应力会完全松弛,造成最大的塑性应变,超过这个时间将不会引起更多的疲劳损伤。

累积疲劳损伤

    图3中,无引线的焊点会进入屈服阶段,每个循环疲劳损伤较大。有引线的焊点,由于引线的应力明显低于焊点屈服强度,大大减少了每个循环的疲劳损伤。
    加速试验时,为了节约时间,停留时间是不足以使得应力完全松弛。其回环区域比相应的能承受完全应力松弛条件下的回环区域小很多。在同样的温度循环范围下,加速试验的循环次数不直接等同于实际运行的循环次数。
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本文标签: 热循环失效机理

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