电子设备热循环失效机理
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瑞凯仪器
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发布日期： 2021.07.14
在热循环环境下，电子设备中不同材料的热膨胀系数的差别，导致元器件与PCB基本板连接处产生很高的应力和应变。典型元器件连接如图1所示，PCB板膨胀位移XS，元器件膨胀位移XC，焊点高度h。PCB板的膨胀系数大于元器件，XS>XC，此时元器件引线和焊点将承受应力。引线承受弯曲应力，产生塑性弯曲变形，若引线存在又尖又深的割痕，导致严重应力集中，会导致引线断裂失效。若引线工艺完好正常，在很小的位移情况下，引线弯曲疲劳具有上百万循环寿命，大多数电子设备在寿命期内不会遇到这样多大的热应力循环。焊点由于在高温下强度较低，在热循环中会产生较大的蠕变和应力松弛，从而产生裂纹，直至断裂。
对于无引线的元器件焊接，由于没有引线的弯曲作用，焊点承受更大的应变，如图2所示。
锡铅（Sn-Pb）焊料由于其突出的可焊性和可靠性，目前是主要的焊料材料，其融化温度TM=183℃。温度超过20℃时，锡铅（Sn-Pb）焊料容易发生蠕变和应力松弛，温度越过或应力水平越高时，焊料的蠕变和应力松弛越快。
热循环导致焊点合金内部产生热应力-应变循环，同时引发焊点金属学组织的演化（晶粒组织变粗糙）。力学和金属学因素的共同作用，导致宏观表象为焊点裂纹的萌生与扩展，引起电信号传输失真的失效现象。随着疲劳损伤累积，焊点的疲劳寿命消耗大约25%到50%之后，在晶粒交界处形成微孔洞，这些微孔洞增长形成微裂纹，进一步增长并聚集成大裂纹。
图3表示焊点粘塑性的蠕变应力松弛的疲劳过程。图中一个循环滞回环区域表示消耗一个疲劳循环。粘塑性应变能引起的疲劳损伤，是由一个个周期积累形成的。在较高温度下，几十分钟，在较低的温度下需要几天，焊点应力会完全松弛，造成的塑性应变，超过这个时间将不会引起更多的疲劳损伤。
图3中，无引线的焊点会进入屈服阶段，每个循环疲劳损伤较大。有引线的焊点，由于引线的应力明显低于焊点屈服强度，大大减少了每个循环的疲劳损伤。
加速试验时，为了节约时间，停留时间是不足以使得应力完全松弛。其回环区域比相应的能承受完全应力松弛条件下的回环区域小很多。在同样的温度循环范围下，加速试验的循环次数不直接等同于实际运行的循环次数。
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