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PCB工場：SMT溶接点疲労失効機構分析

電子製品の組立密度が高くなるにつれて、機械と電気接続機能を担う溶接点のサイズが小さくなり、いかなる溶接点の故障も設備ひいてはシステム全体の故障を引き起こす可能性がある。そのため、溶接点の信頼性は電子製品の信頼性の鍵の1つである。実際には、溶接点の故障は通常、様々な複雑な要素の相互作用によって引き起こされる。使用環境によって異なる障害メカニズムがあります。溶接点の主な故障メカニズムには、熱故障、機械故障、電気化学故障が含まれる。

熱による故障は主に熱サイクルと熱衝撃による疲労故障であり、高温による故障も含まれる。表面実装素子、PCBと半田との間の熱膨張係数が一致しないため、周囲温度の変化や素子自体の電力が高くなると、素子と基板の熱膨張率が一致しないため、半田点に熱応力と応力が発生する。溶接点の周期的な変化は熱疲労の故障を引き起こす。熱疲労失効の主な変形機構はクリープである。温度が炉温の半分を超えると、クリープは重要な変形機構となる。スズ鉛溶接点については、室温でも融点温度の半分を超えるため、クリープは熱サイクル中の主な熱変形疲労失効機構となる。

熱サイクルと比較して、熱衝撃による故障は、異なる温度上昇率と冷却率が部品に与える大きな付加応力によるものである。熱サイクル中、アセンブリの各部の温度は完全に同じであると考えられ、熱衝撃条件下では、比熱、質量、構造及び加熱方法などの各種要素により、部品の各部の温度が異なり、追加の熱応力を引き起こす。熱衝撃は、過負荷時の汗点疲労や、腐食失効やアセンブリ失効の原因となるコーティング亀裂などの信頼性の問題を引き起こすことがあります。熱衝撃はまた、低速熱サイクル中に発生しなかった故障モードを引き起こす可能性がある。

機械的故障とは主に機械的衝撃による過負荷と衝撃の老化、及び機械的振動による機械的疲労の故障を指す。プリント回路アセンブリが曲げられたり、振動したり、その他の応力を受けたりすると、溶接点が故障する可能性があります。プリント回路アセンブリが曲げられたり、振動したり、その他の応力を受けたりすると、溶接点が故障する可能性があります。一般的に、ますます小さくなる溶接点はアセンブリの中で最も弱い部分である。しかし、ピンなどのフレキシブルな構造を持つコンポーネントをPCBに接続すると、ピンは部分的な応力を吸収することができるので、溶接点はあまり応力を受けません。しかし、リードレスアセンブリを組み立てる時、特に大面積BGAデバイスに対して、アセンブリが機械的な衝撃を受けた時、例えば落下とPCBは後続の設備と試験過程でより大きな衝撃と曲げを受け、アセンブリ自体の剛性は比較的に強く、溶接点はより大きな応力を受ける。

特に無鉛溶接を採用した携帯型電子製品については、その体積が小さく、軽量で滑りやすいため、使用中に衝突や落下が発生しやすく、無鉛半田の含有量は従来の鉛半田よりも高い。弾性率と他の異なる物理的および機械的特性により、鉛フリー溶接点の抵抗が機械的衝撃を低減する。そのため、無鉛携帯電子製品の信頼性と落下衝撃信頼性に注意しなければならない。溶接部が振動による反復機械応力を受けると、溶接点の疲労が失効する。この応力が降伏応力レベルをはるかに下回っても、金属材料の疲労を引き起こす可能性がある。大量の小振幅、高周波振動サイクルを経て、振動疲労失効が発生する。各振動周期による溶接点の損傷は小さいが、多くの周期後に溶接点に亀裂が発生する。時間が経つにつれて、亀裂は循環回数が増えるにつれて広がっていきます。この現象は無鉛素子の溶接点に対してより深刻である。

電気化学的失効とは、一定の温度、湿度、バイアス条件下で、電気化学反応による失効を指す。電気化学的失効の主な形態は、導電性イオン汚染物質による架橋、デンドライト成長、導電性陽極線成長、スズひげである。イオン残留物と水蒸気は電気化学失効の核心要素である。PCB上に残留する導電性イオン汚染物質は、特に湿気のある環境では、溶接点間のブリッジを引き起こす可能性がある。イオン残基は金属及び絶縁表面を通過することができる。ショートを形成するために移動します。イオン汚染物質は、プリント配線基板の製造過程における半田ペースト及びフラックス残留物、人工処理汚染及び大気汚染物質を含む様々な方法で生成することができる。水蒸気と低電流直流バイアスの共通の影響下で、電解作用により金属が1つの導体から別の導体に移動し、木の枝やシダ植物のように見える金属樹状突起が成長する。銀の移行は最も一般的だ。銅、スズ、鉛もデンドライト成長の影響を受けやすいが、銀デンドライトより成長が遅い。他の金属の成長と同様に、この故障機構は短絡、漏電、その他の電気故障を引き起こす。導電性陽極フィラメントの成長はデンドライト成長の特殊な状況である。絶縁体上といくつかの導体との間のイオンの輸送は、絶縁体表面上のワイヤの成長をもたらし、隣接するワイヤの短絡を引き起こす可能性がある。スズひげとは、設備の長期保存と使用の過程で、機械、湿度と環境の影響の下で、いくつかのひげ状スズ単結晶がスズめっき層の表面に成長し、その主要成分はスズである。スズはすでに航空宇宙などいくつかの典型的な重大事故を引き起こしているため、注目されている。