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Fábrica de pcb: análisis del mecanismo de falla por fatiga de las juntas de soldadura SMT
A medida que la densidad de montaje de los productos electrónicos es cada vez mayor y el tamaño de los puntos de soldadura que asumen funciones de conexión mecánica y eléctrica es cada vez menor, la falla de cualquier punto de soldadura puede causar una falla general del equipo e incluso del sistema. Por lo tanto, la fiabilidad de los puntos de soldadura es una de las claves de la fiabilidad de los productos electrónicos. En la práctica, el fracaso de las juntas de soldadura suele ser causado por la interacción de varios factores complejos. Diferentes entornos de uso tienen diferentes mecanismos de falla. Los principales mecanismos de falla de las juntas de soldadura incluyen falla térmica, falla mecánica y falla electroquímica.
El fallo térmico es principalmente un fallo de fatiga causado por ciclos térmicos y choques térmicos, pero también incluye un fallo causado por altas temperaturas. Debido a que el coeficiente de expansión térmica entre el componente de montaje de la superficie, el PCB y la soldadura no coincide, cuando la temperatura ambiente cambia, o cuando la Potencia del propio componente aumenta, debido a la tasa de expansión térmica inconsistente entre el componente y el sustrato, la soldadura produce tensión térmica y tensión. Los cambios cíclicos en las juntas de soldadura pueden causar un fallo de fatiga térmica. El principal mecanismo de deformación del fracaso de la fatiga térmica es el arrastre. Cuando la temperatura supera la mitad de la temperatura del horno, el arrastre se convierte en un mecanismo de deformación importante. Para las juntas de soldadura de estaño y plomo, incluso a temperatura ambiente, ha superado la mitad de la temperatura de fusión, por lo que el arrastre se ha convertido en el principal mecanismo de falla por fatiga de deformación térmica durante el ciclo térmico.
En comparación con el ciclo térmico, el fallo causado por el impacto térmico es causado por el mayor estrés adicional causado a los componentes por diferentes tasas de aumento de temperatura y tasas de enfriamiento. Durante el ciclo térmico, se puede considerar que la temperatura de cada parte del componente es exactamente la misma; En condiciones de choque térmico, debido a una variedad de factores, como el calor específico, la calidad, la estructura y el método de calentamiento, la temperatura de cada parte del componente es diferente, lo que genera tensiones térmicas adicionales. El impacto térmico puede causar muchos problemas de fiabilidad, como la fatiga de los puntos de sudor durante la sobrecarga y las grietas de recubrimiento que causan fallos de corrosión y fallos de los componentes. Los choques térmicos también pueden causar patrones de falla que no se producen durante el ciclo térmico lento.
El fracaso mecánico se refiere principalmente a la sobrecarga y el envejecimiento del impacto causado por el impacto mecánico, así como al fracaso de la fatiga mecánica causado por la vibración mecánica. Las juntas de soldadura pueden fallar cuando los componentes de circuitos impresos están doblados, sacudidos u otras tensiones. Las juntas de soldadura pueden fallar cuando los componentes de circuitos impresos están doblados, sacudidos u otras tensiones. En general, las juntas de soldadura cada vez más pequeñas son el eslabón más débil del componente. Sin embargo, cuando conecta componentes con una estructura flexible, como un pin, al pcb, el punto de soldadura no soportará mucha tensión porque el pin puede absorber parte de la tensión. Sin embargo, cuando se ensamblan componentes sin plomo, especialmente para dispositivos bga de gran área, cuando los componentes se ven afectados mecánicamente durante el equipo y las pruebas posteriores, como caídas y mayor impacto y flexión del pcb, la rigidez del propio componente es relativamente fuerte y los puntos de soldadura soportarán una mayor tensión.
Especialmente para los productos electrónicos portátiles de soldadura sin plomo, debido a su pequeño tamaño, peso ligero y fácil deslizamiento, es más fácil chocar y caer durante su uso, y la soldadura sin plomo es más alta que la soldadura tradicional de plomo y Estaño. El módulo de elasticidad y otras características físicas y mecánicas diferentes reducen la resistencia de los puntos de soldadura sin plomo, reduciendo así el impacto mecánico. Por lo tanto, se debe prestar atención a la fiabilidad de los productos electrónicos portátiles sin plomo y la fiabilidad del impacto de caída. Cuando las piezas de soldadura están sujetas a tensiones mecánicas repetidas causadas por vibraciones, se produce un fallo de fatiga en las juntas de soldadura. Incluso si el estrés está muy por debajo del nivel de estrés de rendimiento, puede causar fatiga del material metálico. Después de un gran número de ciclos de vibración de pequeña amplitud y alta frecuencia, se producirá un fallo de fatiga por vibración. Aunque el daño a las juntas de soldadura por ciclo de vibración es pequeño, las juntas de soldadura se agrietan después de varios ciclos. Con el tiempo, las grietas se propagarán a medida que aumente el número de ciclos. Este fenómeno es más grave para las juntas de soldadura de componentes sin plomo.
El fracaso electroquímico se refiere al fracaso causado por reacciones electroquímicas en ciertas condiciones de temperatura, humedad y sesgo. Las principales formas de falla electroquímica son: puente causado por contaminantes de iones conductores, crecimiento de dendrita, crecimiento de alambre de ánodo conductor y barba de Estaño. Los residuos iónicos y el vapor de agua son los factores centrales del fracaso electroquímico. Los contaminantes de iones conductores que quedan en el PCB pueden causar puentes entre los puntos de soldadura, especialmente en ambientes húmedos. Los residuos iónicos pueden atravesar superficies metálicas y aislantes. Se mueve para formar un cortocircuito. Los contaminantes iónicos se pueden producir de diversas maneras, incluidos los residuos de pasta y flujo durante la fabricación de placas de circuito impreso, la contaminación por tratamiento manual y los contaminantes atmosféricos. Bajo la influencia combinada del vapor de agua y el sesgo DC de baja corriente, debido a la electrolisis, los metales migran de un conductor a otro, lo que provoca el crecimiento de dendritas metálicas que parecen ramas y helechos. La migración de la plata es la más común. El cobre, el estaño y el plomo también son vulnerables al crecimiento de las dendritas, pero crecen más lentamente que las de plata. Al igual que el crecimiento de otros metales, este mecanismo de falla puede causar cortocircuitos, fugas y otras fallas eléctricas. El crecimiento de los filamentos anódicos conductores es un caso especial de crecimiento de dendritas. La transmisión de iones sobre el aislador y entre varios conductores conduce al crecimiento de alambre en la superficie del aislador, lo que provoca un cortocircuito en los cables adyacentes. La barba de estaño se refiere a que durante el almacenamiento y uso a largo plazo del equipo, afectada por la maquinaria, la humedad y el medio ambiente, la superficie del recubrimiento de estaño crecerá algunos Monocristales de estaño en forma de barba, cuyo componente principal es el Estaño. Debido a que el estaño ha causado varios accidentes graves típicos, como la aeroespacial, ha atraído una gran atención.
