pcb設(shè)計(jì)最常見的焊點(diǎn)失效原因分析

焊點(diǎn)可靠性通常是電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個痛點(diǎn)。各種各樣的因素都會影響焊點(diǎn)的可靠性，并且其中任何一個因素都會大大縮短焊點(diǎn)的使用壽命。在設(shè)計(jì)和制造過程中正確識別和緩解焊點(diǎn)失效的潛在原因可以防止在產(chǎn)品生命周期后期出現(xiàn)代價(jià)高昂且難以解決的問題。這里介紹一些要考慮的最常見的焊點(diǎn)失效原因。

1.灌封，底部填充和保形涂料產(chǎn)生的意外應(yīng)力

2.意外的溫度循環(huán)極限

3.機(jī)械過應(yīng)力事件

4. PCBA過度約束的情況

5.焊接缺陷

當(dāng)灌封擴(kuò)大時，焊球會承受壓力。

電子行業(yè)中經(jīng)常使用灌封，涂層，鉚釘材料和其他密封劑來防止可能會損壞組件的環(huán)境條件。但是，這些聚合物材料的熱和機(jī)械性能可能會發(fā)生很大變化。

如果在設(shè)計(jì)過程中不了解涂層和灌封的材料特性，它們會產(chǎn)生復(fù)雜的負(fù)載條件，從而不利地影響焊點(diǎn)的可靠性。例如，如果組件被浸涂，則涂層將在諸如球柵陣列（BGA）和四方扁平無引線（QFN）之類的組件下方流動。涂層將在熱循環(huán)過程中膨脹，并可能會將元件“提離”電路板，從而在焊點(diǎn)上施加拉應(yīng)力。

某些組件安裝條件和灌封/涂層應(yīng)用技術(shù)可能會在組件焊點(diǎn)上產(chǎn)生不必要的應(yīng)力，例如拉伸應(yīng)力。根據(jù)所用灌封/涂層的材料特性，這些應(yīng)力可能足夠大，以至于嚴(yán)重影響焊點(diǎn)疲勞壽命。

指定灌封或涂層時要考慮的最重要的材料特性是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，模量和熱膨脹系數(shù)-高于和低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。玻璃化溫度是指材料在硬/玻璃狀和軟/橡膠狀稠度之間轉(zhuǎn)變的溫度。

在“ 焊料疲勞原因和預(yù)防” 博客中了解有關(guān)玻璃過渡對澆鑄，涂料和底部填充的影響的更多信息。

灌封的一個常見問題是，當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中未完全理解的材料與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度過高有關(guān)時。在某些用于電子灌封的聚合物中，當(dāng)材料冷卻到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下時，彈性模量可以增加20倍。

如果熱循環(huán)在這種材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下延伸，則在冷停留期間焊料所承受的應(yīng)力和由此產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變將很高且會損壞。這種作用會大大降低疲勞壽命。

此處提到的示例只是一些復(fù)雜而有害的加載條件中的一部分，這些條件可能是由于不完全了解灌封，涂層或底部填充的熱和機(jī)械材料特性而導(dǎo)致的。

這是有關(guān)與灌封和涂層相關(guān)的可靠性問題的在線研討會的絕佳資源。

錄制的網(wǎng)絡(luò)研討會討論涂料和灌封。

意外焊點(diǎn)故障的另一個常見原因是電子系統(tǒng)所經(jīng)歷的溫度循環(huán)參數(shù)的不正確表征。例如，開/關(guān)周期，暴露在直射的陽光下，在不同氣候和其他幾種來源之間的傳播會給印刷電路板元器件（PCBA）或組件增加意想不到的溫度波動。

為了生成電子系統(tǒng)最準(zhǔn)確的可靠性指標(biāo)，在運(yùn)行有限元分析（FEA）模擬或物理產(chǎn)品鑒定之前，必須詳細(xì)表征其將經(jīng)歷的溫度循環(huán)。

此外，如果組件中包含灌封或其他聚合物，則如果未正確確定最高和最低溫度，則遇到上述玻璃化轉(zhuǎn)變問題的風(fēng)險(xiǎn)會增加。

當(dāng)在機(jī)械事件（例如沖擊，跌落，在線測試，電路板去面板化，連接器插入或PCBA插入）中焊點(diǎn)承受過大負(fù)載時，就會發(fā)生機(jī)械過應(yīng)力故障。

應(yīng)力過大的故障通常很難預(yù)測，因此很難防止。沖擊測試研究表明，最佳解決方案是此類故障的隨機(jī)故障分布。

沿IMC的骨折

焊點(diǎn)過應(yīng)力故障通常表現(xiàn)為沿金屬間連接（IMC）的焊坑或焊縫破裂。焊盤凹坑是指在焊點(diǎn)銅焊盤下方的層壓板中的凹坑狀裂紋。IMC是銅墊和焊料結(jié)合形成Cu 3 Sn或Cu 6 Sn 5的區(qū)域。這是焊點(diǎn)最脆的區(qū)域，這就是為什么它是最容易承受過應(yīng)力的區(qū)域的原因。

通常在較細(xì)間距的組件（主要是BGA）上或使用特別脆的層壓板時會出現(xiàn)這種類型的故障。焊盤縮孔是一個嚴(yán)重的問題，因?yàn)樗?jīng)常導(dǎo)致痕量的斷裂。與通常在大部分焊點(diǎn)中發(fā)生的疲勞裂紋相反，當(dāng)機(jī)械過應(yīng)力失效表現(xiàn)為焊縫斷裂時，它們通常沿著IMC發(fā)生。

由于機(jī)械事件故障在很大程度上取決于PCB邊界條件和幾何形狀，因此通常建議使用FEA來預(yù)測機(jī)械應(yīng)力過大的風(fēng)險(xiǎn)。使用其他方法很難預(yù)測復(fù)雜的加載條件或板形。另外，F(xiàn)EA允許應(yīng)變和曲率量化。

這是討論如何減少與電子組件有關(guān)的與沖擊有關(guān)的故障的重要資源。

錄制的網(wǎng)絡(luò)研討會討論了機(jī)械沖擊的可靠性保證。

約束條件下電路的熱機(jī)械反射

PCBA的過度約束條件包括：

· 組件鏡像

· 電路板安裝條件

· 連接到外殼

它們經(jīng)常被忽略，會對焊點(diǎn)的壽命產(chǎn)生重大影響。

安裝點(diǎn)和其他電路板約束對熱膨脹，機(jī)械沖擊事件和振動期間的電路板應(yīng)變大小和位置有很大影響。

約束會降低電路板的順應(yīng)性，并產(chǎn)生電路板應(yīng)變，這可能會導(dǎo)致位置過緊的元件過早出現(xiàn)焊點(diǎn)故障。此外，安裝點(diǎn)的總體布局將直接影響PCBA可能的模式形狀。

如果不能很好地理解這些模式形狀，則可以以將敏感組件放置在高板應(yīng)變區(qū)域中的方式設(shè)計(jì)板。FEA是解決此問題的強(qiáng)大工具，因?yàn)樗褂脩艨梢缘煌陌惭b條件。

元器件鏡像是另一個常見的過度約束條件，可能會對焊點(diǎn)壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。鏡像是指兩個組件在PCBA兩側(cè)相似位置中的位置。

模擬控制板和鏡像板

鏡像會限制電路板的運(yùn)動，從而降低了組件的封裝合規(guī)性，這會在焊點(diǎn)中產(chǎn)生額外的應(yīng)力。研究表明，組件鏡像可以將疲勞壽命減少2或3倍。

這里有大量資源，討論了系統(tǒng)級別對焊點(diǎn)可靠性的影響。

錄制的網(wǎng)絡(luò)研討會討論了系統(tǒng)級別對焊點(diǎn)可靠性的影響。

如果焊點(diǎn)質(zhì)量較差，上述所有緩解策略都無法防止焊點(diǎn)可靠性問題。因此，必須使用信譽(yù)良好的制造商并嚴(yán)格控制流程來構(gòu)造PCBA。

存在各種各樣的焊點(diǎn)缺陷，它們會對可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。PCBA到達(dá)現(xiàn)場之前，應(yīng)進(jìn)行焊點(diǎn)的橫截面和外觀檢查，以確保達(dá)到制造質(zhì)量指標(biāo)。
編輯：hfy