電子設備熱循環失效機理
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發布日期： 2021.07.14
在熱循環環境下，電子設備中不同材料的熱膨脹係數的差別，導致元器件與PCB基本板連接處產生很高的應力和應變。典型元器件連接如圖1所示，PCB板膨脹位移XS，元器件膨脹位移XC，焊點高度h。PCB板的膨脹係數大於元器件，XS>XC，此時元器件引線和焊點將承受應力。引線承受彎曲應力，產生塑性彎曲變形，若引線存在又尖又深的割痕，導致嚴重應力集中，會導致引線斷裂失效。若引線工藝完好正常，在很小的位移情況下，引線彎曲疲勞具有上百萬循環壽命，大多數電子設備在壽命期內不會遇到這樣多大的熱應力循環。焊點由於在高溫下強度較低，在熱循環中會產生較大的蠕變和應力鬆弛，從而產生裂紋，直至斷裂。
對於無引線的元器件焊接，由於沒有引線的彎曲作用，焊點承受更大的應變，如圖2所示。
錫鉛（Sn-Pb）焊料由於其突出的可焊性和可靠性，目前是主要的焊料材料，其融化溫度TM=183℃。溫度超過20℃時，錫鉛（Sn-Pb）焊料容易發生蠕變和應力鬆弛，溫度越過或應力水平越高時，焊料的蠕變和應力鬆弛越快。
熱循環導致焊點合金內部產生熱應力-應變循環，同時引發焊點金屬學組織的演化（晶粒組織變粗糙）。力學和金屬學因素的共同作用，導致宏觀表象為焊點裂紋的萌生與擴展，引起電信號傳輸失真的失效現象。隨著疲勞損傷累積，焊點的疲勞壽命消耗大約25%到50%之後，在晶粒交界處形成微孔洞，這些微孔洞增長形成微裂紋，進一步增長並聚集成大裂紋。
圖3表示焊點粘塑性的蠕變應力鬆弛的疲勞過程。圖中一個循環滯回環區域表示消耗一個疲勞循環。粘塑性應變能引起的疲勞損傷，是由一個個周期積累形成的。在較高溫度下，幾十分鍾，在較低的溫度下需要幾天，焊點應力會完全鬆弛，造成的塑性應變，超過這個時間將不會引起更多的疲勞損傷。
圖3中，無引線的焊點會進入屈服階段，每個循環疲勞損傷較大。有引線的焊點，由於引線的應力明顯低於焊點屈服強度，大大減少了每個循環的疲勞損傷。
加速試驗時，為了節約時間，停留時間是不足以使得應力完全鬆弛。其回環區域比相應的能承受完全應力鬆弛條件下的回環區域小很多。在同樣的溫度循環範圍下，加速試驗的循環次數不直接等同於實際運行的循環次數。
