Technologie PCBA - Analyse du mécanisme de défaillance en fatigue des points de soudure SMT

Avec la densité croissante des assemblages de circuits imprimés pour l'électronique et la taille réduite des points de soudure qui assument les fonctions de connexion mécanique et électrique, toute défaillance des points de soudure peut entraîner une défaillance globale du dispositif et même du système. La fiabilité des points de soudure est donc l'une des clés de la fiabilité des produits électroniques. En pratique, la défaillance d'un point de soudure est généralement causée par l'interaction de divers facteurs complexes. Différents environnements d'utilisation ont différents mécanismes de défaillance. Les principaux mécanismes de défaillance des points de soudure comprennent la défaillance thermique, la défaillance mécanique et la défaillance électrochimique.

La défaillance thermique est principalement une défaillance par fatigue causée par des cycles thermiques et des chocs thermiques, et la défaillance causée par des températures élevées est également incluse. En raison de l'inadéquation des coefficients de dilatation thermique entre l'élément monté en surface, la plaque PCB et la soudure, lorsque la température ambiante varie ou que l'élément lui - même est chaud, en raison de l'incohérence des coefficients de dilatation thermique entre l'élément et le substrat, les points de soudure créent des contraintes thermiques, Et les variations périodiques des contraintes provoqueront une défaillance de la fatigue thermique du point de soudure. Le principal mécanisme de déformation pour la défaillance par fatigue thermique est le fluage. Lorsque la température dépasse la moitié de celle du four, le fluage devient un mécanisme de déformation important. Pour les joints soudés étain - plomb, il a déjà dépassé la moitié de la température de fusion, même à température ambiante. Ainsi, le fluage devient le principal mécanisme de défaillance par fatigue de déformation thermique au cours du cycle thermique.

Par rapport aux cycles thermiques, les défaillances causées par les chocs thermiques sont causées par des contraintes supplémentaires plus importantes imposées aux composants par des vitesses de réchauffement et de refroidissement différentes. Au cours du cycle thermique, on peut considérer que les températures des différentes parties du composant sont parfaitement cohérentes; Dans des conditions de choc thermique, la température varie entre les parties de l'élément en raison de l'influence de divers facteurs tels que la chaleur spécifique, la masse, la structure et le mode de chauffage, créant ainsi une contrainte thermique supplémentaire. Les chocs thermiques peuvent entraîner de nombreux problèmes de fiabilité, tels que la fatigue du point de transpiration en cas de surcharge, la défaillance de la corrosion et la défaillance des composants causée par des fissures dans la zone de revêtement. Les chocs thermiques peuvent également entraîner des formes de défaillance qui ne se produisent pas au cours de cycles thermiques lents.

La défaillance mécanique se réfère principalement à la surcharge et au vieillissement par choc causés par des chocs mécaniques, ainsi qu'à la défaillance par fatigue mécanique causée par des vibrations mécaniques. Une défaillance du point de soudure peut survenir lorsqu'un élément de circuit imprimé est soumis à une flexion, à une secousse ou à d'autres contraintes. Une défaillance du point de soudure peut survenir lorsqu'un élément de circuit imprimé est soumis à une flexion, à une secousse ou à d'autres contraintes. En général, les points de soudure de plus en plus petits sont le maillon le plus faible de l'assemblage. Cependant, lorsqu'il relie un élément à structure flexible tel qu'une broche à un PCB, la broche peut absorber certaines contraintes, de sorte que les points de soudure ne subissent pas beaucoup de contraintes. Cependant, lors de l'assemblage de composants non brochés, en particulier pour les dispositifs BGA de grande taille, les points de soudure seront soumis à des contraintes plus importantes lorsque le composant sera soumis à des chocs mécaniques tels que des chutes et des PCB soumis à des chocs et à des flexions plus importants lors d'équipements et de procédures d'essai ultérieurs, et que la rigidité du composant sera relativement forte. En particulier, les produits électroniques portables soudés sans plomb, en raison de leur petite taille, de leur poids léger et de leur glissement facile, sont plus susceptibles de se heurter et de tomber pendant l'utilisation. Les soudures sans plomb ont un module d'élasticité plus élevé et d'autres caractéristiques physiques et mécaniques différentes par rapport aux soudures au plomb - étain traditionnelles, ce qui rend les soudures sans plomb moins résistantes aux chocs mécaniques. Par conséquent, il convient de prêter attention à la fiabilité et aux chocs de chute des appareils électroniques portables sans plomb. Lorsque les pièces soudées sont soumises à des contraintes mécaniques répétées résultant de vibrations, cela entraîne une défaillance par fatigue du point de soudure. Même si cette contrainte est bien inférieure au niveau de contrainte élastique, elle peut entraîner une fatigue du matériau métallique. Après un grand nombre de petites amplitudes, des cycles de vibration à haute fréquence, une défaillance de la fatigue vibratoire se produira. Bien que chaque cycle de vibration endommage peu le point de soudure, des fissures apparaissent après plusieurs cycles de vibration. Au fil du temps, les fissures peuvent également se propager à mesure que le nombre de cycles augmente. Ce phénomène est d'autant plus grave pour les joints soudés de pièces non brochées.

La défaillance électrochimique est une défaillance causée par une réaction électrochimique dans certaines conditions de température, d'humidité et de polarisation. Les principales formes de défaillance électrochimique sont: pontage causé par des contaminants ioniques conducteurs, croissance de dendrites, croissance de filaments anodiques conducteurs et Whiskers d'étain. Les résidus ioniques et la vapeur d'eau sont des facteurs centraux de défaillance électrochimique. Les contaminants ioniques conducteurs laissés sur le PCB peuvent provoquer des ponts entre les points de soudure. En particulier dans les environnements humides, les résidus ioniques peuvent se déplacer sur les surfaces métalliques et isolantes, créant des courts - circuits. Les contaminants ioniques peuvent être produits de plusieurs façons, y compris la pâte à souder et les résidus de flux pendant la fabrication de PCB, la contamination par des opérations manuelles et les contaminants dans l'atmosphère. Sous l'influence combinée de la vapeur d'eau et de la polarisation DC à faible courant, des dendrites métalliques en forme de branches d'arbres et de fougères se développent en raison de la migration des métaux d'un conducteur à l'autre due à l'électrolyse. La migration de l'argent est la plus courante. Le cuivre, l'étain et le plomb sont également sensibles à la croissance des dendrites, mais ils se développent plus lentement que les dendrites d'argent. Comme pour d'autres métaux, ce mécanisme de défaillance peut entraîner des courts - circuits, des fuites d'électricité et d'autres défaillances électriques. La croissance de filaments anodiques conducteurs est un cas particulier de croissance de dendrites. Le transport des ions entre l'isolant et plusieurs conducteurs provoque la croissance de fils métalliques à la surface de l'isolant, ce qui entraîne un court - circuit des fils adjacents. Par Whiskers d'étain, on entend les monocristaux Whiskers d'étain qui poussent à la surface du revêtement d'étain sous l'effet de la mécanique, de l'humidité et de l'environnement pendant le stockage et l'utilisation à long terme du dispositif sur PCBA.