PCBA技術 - SMT溶接点疲労失効機構解析

電子製品のPCB組立密度が高くなるにつれて、機械と電気の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デバイス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。

熱失効は主に熱サイクルと熱衝撃による疲労失効であり、高温による失効も含まれる。表面実装素子、PCB板と半田との間の熱膨張係数が一致しないため、周囲温度が変化したり、素子自体が発熱したりすると、素子と基板との間の熱膨張係数が一致しないため、半田点に熱応力が発生し、そして応力の周期的な変化は溶接点の熱疲労を失効させる。熱疲労失効の主な変形機構はクリープである。温度が炉温度の半分を超えると、クリープは重要な変形機構となる。スズ鉛半田継手では、室温でも融点温度の半分を超えています。そのため、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、異なる昇温速度と冷却速度が部品に与える大きな付加応力によって引き起こされる。熱サイクル中、部品の各部の温度は完全に一致していると考えられ、熱衝撃条件下では、比熱、質量、構造及び加熱方式などの多種の要素の影響により、部材の各部の温度が異なり、それにより追加の熱応力が発生する。熱衝撃は、過負荷時の汗点疲労、腐食失効、コーティング領域の亀裂による部品失効など、多くの信頼性の問題を引き起こす。熱衝撃はまた、緩慢な熱サイクル中に発生しない故障形態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。プリント回路部品が曲げられたり、揺れたり、その他の応力を受けたりすると、溶接点の故障が発生する可能性があります。プリント回路部品が曲げられたり、揺れたり、その他の応力を受けたりすると、溶接点の故障が発生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組み立て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要素をPCBに接続すると、ピンは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、非ピンアセンブリを組み立てる際、特に大型BGAデバイスでは、アセンブリが後続のデバイスや試験プログラムで落下やPCBなどの機械的衝撃を受け、より大きな衝撃や曲げを受け、アセンブリの剛性が比較的強い場合、溶接点はより大きな応力を受けることになる。特に鉛フリー溶接の携帯型電子製品は、小型で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い。従来の鉛はんだに比べて、鉛フリーはんだはより高い弾性率と他の異なる物理的および機械的特性を有しており、鉛フリーはんだ点は機械的衝撃にあまり耐えられない。そのため、無鉛携帯電子製品の信頼性と落下衝撃に注意しなければならない。溶接部品が振動による繰り返し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、複数回の振動周期を経過すると、溶接点に亀裂が発生する。時間が経つにつれて、ひび割れも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、非ピン部品の溶接継手にとってより深刻である。

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、溶接点間のブリッジを引き起こす可能性がある。特に湿気のある環境では、イオン残留物が金属や絶縁表面上を移動し、短絡を形成する。イオン汚染物質は、PCBの製造過程における半田ペースト及び半田残留物、手動操作汚染及び大気中の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、電解によって金属が1つの導体から別の導体に移動すると、枝やシダ植物のような形をした金属枝晶が成長する。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。他の金属と同様に、この故障メカニズムは短絡、漏電、その他の電気故障を引き起こす可能性があります。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。絶縁体といくつかの導体との間のイオンの輸送は、絶縁体表面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。スズひげとは、PCBA上のデバイスの長期保存と使用中に、機械的、湿度的、環境的な作用の下でスズコーティング表面に成長させたスズのひげ状単結晶を指す。