PCBA-Technologie - Analyse des Ermüdungsfehlermechanismus von SMT Lötstellen

Da die Leiterplattenmontagedichte elektronischer Produkte immer höher wird, wird die Größe der Lötstellen, die die Funktion der mechanischen und elektrischen Verbindung tragen, immer kleiner, und der Ausfall einer Lötstelle kann den Gesamtausfall von Geräten und sogar Systemen verursachen. Daher ist die Zuverlässigkeit von Lötstellen einer der Schlüssel zur Zuverlässigkeit elektronischer Produkte. In der Praxis wird das Versagen von Lötstellen meist durch das Zusammenspiel verschiedener komplexer Faktoren verursacht. Unterschiedliche Einsatzumgebungen haben unterschiedliche Fehlermechanismen. Die wichtigsten Versagensmechanismen von Lötstellen umfassen thermisches Versagen, mechanisches Versagen und elektrochemisches Versagen.

Thermischer Ausfall ist hauptsächlich Ermüdungsausfall verursacht durch thermischen Zyklus und thermischen Schock, und der Fehler verursacht durch hohe Temperatur ist auch enthalten. Aufgrund der Missübereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen oberflächenmontierten Komponenten, Leiterplatte und Lot, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert oder das Bauteil selbst erwärmt, erzeugt die Lötstelle thermische Spannung aufgrund der Inkonsistenz des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Bauteil und dem Substrat, und die periodische Änderung der Spannung führt zu thermischem Ermüdungsfehler der Lötstelle. Der Hauptverformungsmechanismus des thermischen Ermüdungsfehlers ist Kriechen. Wenn die Temperatur die Hälfte der Ofentemperatur überschreitet, wird Kriechen zu einem wichtigen Verformungsmechanismus. Bei Zinn-Blei-Lötstellen hat es selbst bei Raumtemperatur die Hälfte der Schmelzpunkttemperatur überschritten. Daher wird Kriechen der wichtigste thermische Verformungsermüdungsmechanismus während des thermischen Zyklus.

Verglichen mit dem thermischen Zyklus wird der durch einen thermischen Schock verursachte Ausfall durch die große zusätzliche Belastung verursacht, die die Komponenten durch unterschiedliche Temperaturanstiegsgeschwindigkeiten und Kühlraten verursacht. Während des thermischen Zyklus kann davon ausgegangen werden, dass die Temperatur jedes Teils der Komponente vollständig konstant ist; Unter der Bedingung eines thermischen Schocks, aufgrund des Einflusses verschiedener Faktoren wie spezifischer Wärme, Masse, Struktur und Heizmodus, ist die Temperatur jedes Teils der Komponente unterschiedlich und erzeugt so zusätzliche thermische Belastung. Thermischer Schock kann viele Zuverlässigkeitsprobleme verursachen, wie Schweißfleckenermüdung bei Überlastung, Korrosionsfehler und Komponentenausfall verursacht durch Risse im Beschichtungsbereich. Ein thermischer Schock kann auch zu Ausfällen führen, die bei langsamen Wärmezyklen nicht auftreten.

Mechanischer Ausfall bezieht sich hauptsächlich auf Überlast- und Schlagalterung, die durch mechanischen Schock und mechanischen Ermüdungsausfall verursacht wird, verursacht durch mechanische Vibrationen. Wenn Leiterplattenkomponenten Biegen, Schütteln oder anderen Belastungen ausgesetzt sind, kann es zu Lötstellenversagen kommen. Wenn Leiterplattenkomponenten Biegen, Schütteln oder anderen Belastungen ausgesetzt sind, kann es zu Lötstellenversagen kommen. Generell sind immer kleinere Lötstellen das schwächste Glied in der Baugruppe. Wenn es jedoch Komponenten mit flexiblen Strukturen wie Stiften mit Leiterplatte verbindet, können die Stifte etwas Spannung aufnehmen, so dass die Lötstellen nicht viel Stress tragen. Bei der Montage von Nicht-Pin-Komponenten, insbesondere für große BGA-Geräte, wenn die Komponenten mechanischen Einflüssen ausgesetzt sind, wie Fallen und PCB, die in den nachfolgenden Ausrüstungs- und Prüfverfahren größeren Stößen und Biegungen ausgesetzt sind, und die Steifigkeit der Komponenten relativ stark ist, tragen die Lötstellen größere Belastungen. Vor allem für bleifreie gelötete tragbare elektronische Produkte sind sie aufgrund ihrer geringen Größe, ihres geringen Gewichts und des einfachen Schiebens wahrscheinlicher, dass sie während des Gebrauchs kollidieren und fallen. Im Vergleich zu herkömmlichem Bleizinn-Lot hat bleifreies Lot einen höheren Elastizitätsmodul und andere unterschiedliche physikalische und mechanische Eigenschaften, die bleifreie Lötstellen weniger widerstandsfähig gegen mechanische Auswirkungen machen. Daher sollte auf die Zuverlässigkeit bleifreier tragbarer elektronischer Produkte und den Tropfenaufprall geachtet werden. Wenn das Schweißteil wiederholter mechanischer Beanspruchung durch Vibrationen ausgesetzt wird, führt dies zu Ermüdungsfehlern der Lötstellen. Selbst wenn diese Spannung weit niedriger als die Streckgrenze ist, kann es auch zu Ermüdung von Metallwerkstoffen kommen. Nach einer großen Anzahl kleiner Amplituden- und Hochfrequenzschwingungszyklen tritt ein Erschütterungsermüdungsausfall auf. Obwohl jeder Vibrationszyklus geringe Schäden an der Lötstelle aufweist, treten nach vielen Zyklen Risse an der Lötstelle auf. Im Laufe der Zeit breiten sich die Risse auch mit der Zunahme der Anzahl der Zyklen aus. Dieses Phänomen ist für Lötverbindungen von Nicht-Pin-Bauteilen gravierender.

Elektrochemischer Ausfall bezieht sich auf den Ausfall, der durch elektrochemische Reaktion unter bestimmten Temperatur-, Feuchtigkeits- und Vorspannungsbedingungen verursacht wird. Die Hauptformen des elektrochemischen Versagens sind: Brückenbildung durch leitfähige Ionen-Schadstoffe, Dendrit-Wachstum, leitfähiges Anodendrahtwachstum und Zinn-Schnurrhaare. Ionenreste und Wasserdampf sind die Kernelemente des elektrochemischen Versagens. Auf der Leiterplatte verbleibende leitfähige Ionen-Schadstoffe können Brückenbildung zwischen Lötstellen verursachen. Besonders in feuchten Umgebungen können sich Ionenrückstände über Metall- und Isolierflächen bewegen und Kurzschlüsse bilden. Ionische Schadstoffe können auf vielfältige Weise erzeugt werden, einschließlich Lotpasten- und Flussmittelrückstände im Leiterplattenherstellungsprozess, Verschmutzung durch manuelle Bedienung und Schadstoffe in der Atmosphäre. Unter dem kombinierten Einfluss von Wasserdampf und Niederstrom-DC-Vorspannung, aufgrund der Migration von Metall von einem Leiter zum anderen durch Elektrolyse verursacht, wachsen Metalldendriten in Form von Ästen und Farnen. Die Migration von Silber ist die häufigste. Kupfer, Zinn und Blei sind ebenfalls anfällig für den Einfluss von Dendrit-Wachstum, aber sie sind langsamer als Silber-Dendrit-Wachstum. Wie andere Metalle kann dieser Ausfallmechanismus zu Kurzschluss, elektrischer Leckage und anderen elektrischen Fehlern führen. Das Wachstum von leitfähigem Anodendraht ist ein Sonderfall des Dendrit-Wachstums. Der Ionentransport über den Isolator und mehrere Leiter verursacht das Wachstum von Metallfilamenten auf der Isolatoroberfläche, was zu Kurzschlüssen benachbarter leitfähiger Leitungen führen kann. Zinnhaare beziehen sich auf Schnurrhaare wie Einkristalle aus Zinn, die auf der Oberfläche der Zinnbeschichtung unter Einwirkung von Maschinen, Feuchtigkeit und Umwelt während der langfristigen Lagerung und Verwendung von Geräten auf PCBA wachsen.