PCBA科技 - SMT焊點疲勞失效機理分析

隨著電子產品的PCB組裝密度越來越高，承擔機械和電力連接功能的焊點尺寸越來越小，任何焊點的故障都可能導致器件甚至系統的整體故障。 囙此，焊點的可靠性是電子產品可靠性的關鍵之一。 在實踐中，焊點的失效通常是由各種複雜因素相互作用引起的。 不同的使用環境有不同的故障機制。 焊點的主要失效機制包括熱失效、機械失效和電化學失效。

熱失效主要是由熱迴圈和熱衝擊引起的疲勞失效，高溫引起的失效也包括在內。 由於表面安裝元件、PCB板和焊料之間的熱膨脹係數不匹配，當環境溫度變化或元件本身發熱時，由於元件和基板之間的熱脹係數不一致，焊點會產生熱應力， 並且應力的週期性變化將導致焊點的熱疲勞失效。 熱疲勞失效的主要變形機制是蠕變。 當溫度超過爐子溫度的一半時，蠕變成為一種重要的變形機制。 對於錫鉛焊料接頭，即使在室溫下，它也已經超過了熔點溫度的一半。 囙此，蠕變成為熱迴圈過程中主要的熱變形疲勞失效機制。

與熱迴圈相比，熱衝擊引起的失效是由不同的升溫速率和冷卻速率給部件帶來的較大附加應力引起的。 在熱迴圈過程中，可以認為部件各部分的溫度完全一致； 在熱衝擊條件下，由於比熱、質量、結構和加熱管道等多種因素的影響，構件各部分的溫度不同，從而產生額外的熱應力。 熱衝擊會導致許多可靠性問題，如超載時的汗點疲勞、腐蝕失效和塗層區域裂紋引起的部件失效。 熱衝擊也可能導致在緩慢的熱迴圈過程中不會發生的失效形式。

機械失效主要是指機械衝擊引起的超載和衝擊老化，以及機械振動引起的機械疲勞失效。 當印刷電路元件受到彎曲、搖晃或其他應力時，可能會發生焊點故障。 當印刷電路元件受到彎曲、搖晃或其他應力時，可能會發生焊點故障。 一般來說，越來越小的焊點是組裝中最薄弱的環節。 然而，當它將引脚等具有柔性結構的元件連接到PCB時，引脚可以吸收一些應力，囙此焊點不會承受太大的應力。 然而，在組裝非引脚組件時，尤其是對於大型BGA器件，當組件在後續的設備和測試程式中受到機械衝擊，如跌落和PCB受到更大的衝擊和彎曲，並且組件的剛性相對較强時，焊點將承受更大的應力。 特別是無鉛焊接的可擕式電子產品，由於體積小、重量輕、易於滑動，在使用過程中更容易發生碰撞和墜落。 與傳統的鉛錫焊料相比，無鉛焊料具有更高的彈性模量和其他不同的物理和機械特性，這使得無鉛焊點不太耐機械衝擊。 囙此，應注意無鉛可擕式電子產品的可靠性和跌落衝擊。 當焊接部件受到振動產生的重複機械應力時，會導致焊點疲勞失效。 即使該應力遠低於屈服應力水准，也可能導致金屬材料疲勞。 經過大量的小振幅、高頻振動迴圈後，會發生振動疲勞失效。 雖然每個振動週期對焊點的損傷很小，但經過多次振動週期後，焊點會出現裂紋。 隨著時間的推移，裂紋也會隨著迴圈次數的新增而擴展。 這種現象對於非引脚部件的焊接接頭更為嚴重。

電化學失效是指在一定的溫度、濕度和偏壓條件下，由電化學反應引起的失效。 電化學失效的主要形式有：導電離子污染物引起的橋接、枝晶生長、導電陽極絲生長和錫須。 離子殘留物和水蒸氣是電化學失效的覈心因素。 留在PCB上的導電離子污染物可能會導致焊點之間的橋接。 特別是在潮濕的環境中，離子殘留物會在金屬和絕緣表面上移動，形成短路。 離子污染物可以通過多種方式產生，包括PCB製造過程中的焊膏和焊劑殘留物、手動操作污染和大氣中的污染物。 在水蒸氣和低電流直流偏壓的共同影響下，由於電解導致金屬從一個導體遷移到另一個導體，會生長出形狀像樹枝和蕨類植物的金屬枝晶。 銀的遷移是最常見的。 銅、錫和鉛也容易受到枝晶生長的影響，但它們比銀枝晶生長慢。 與其他金屬一樣，這種故障機制可能導致短路、漏電和其他電力故障。 導電陽極絲的生長是枝晶生長的一種特殊情况。 離子在絕緣體和幾個導體之間的傳輸會導致絕緣體表面金屬絲的生長，從而導致相鄰導線短路。 錫須是指器件在PCBA上長期儲存和使用過程中，在機械、濕度和環境的作用下，在錫塗層表面生長的錫的須狀單晶。