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Fabbrica PCB: analisi del meccanismo di guasto alla fatica del giunto di saldatura SMT

Man mano che la densità di assemblaggio dei prodotti elettronici diventa sempre più alta, la dimensione dei giunti di saldatura che svolgono le funzioni di collegamento meccanico ed elettrico sta diventando sempre più piccola e il guasto di qualsiasi giunto di saldatura può causare il guasto complessivo del dispositivo e persino del sistema. Pertanto, l'affidabilità dei giunti di saldatura è una delle chiavi per l'affidabilità dei prodotti elettronici. In pratica, il fallimento dei giunti di saldatura è solitamente causato dall'interazione di vari fattori complessi. Diversi ambienti di utilizzo hanno meccanismi di guasto diversi. I principali meccanismi di guasto dei giunti di saldatura includono guasto termico, guasto meccanico e guasto elettrochimico.

I guasti indotti termicamente sono principalmente guasti a fatica causati dal ciclo termico e dallo shock termico, e sono inclusi anche guasti causati dalle alte temperature. A causa della disallineazione del coefficiente di espansione termica tra componenti di montaggio superficiale, PCB e saldatura, quando la temperatura ambiente cambia o quando la potenza del componente stesso si riscalda, perché i coefficienti di espansione termica dei componenti e del substrato sono incoerenti, i giunti di saldatura generano stress termici e stress. I cambiamenti periodici dei giunti di saldatura portano a un guasto a fatica termica. Il meccanismo principale di deformazione di guasto a fatica termica è creep. Quando la temperatura supera la metà della temperatura del forno, il creep diventa un importante meccanismo di deformazione. Per i giunti di saldatura stagno-piombo, anche a temperatura ambiente, ha superato la metà della temperatura del punto di fusione, quindi Creeping diventa il principale meccanismo di guasto alla fatica di deformazione termica durante il ciclo termico.

Rispetto al ciclo termico, il guasto causato dallo shock termico è causato dal grande sforzo aggiuntivo portato dal diverso tasso di aumento della temperatura e tasso di raffreddamento al componente. Durante il ciclo termico, si può considerare che la temperatura di ogni parte del componente è esattamente la stessa; e in condizioni di shock termico, a causa di vari fattori quali calore specifico, qualità, struttura e metodo di riscaldamento, la temperatura di ogni parte del componente è diversa, con conseguente ulteriore stress termico. Gli shock termici possono causare molti problemi di affidabilità, come affaticamento del punto di sudore durante il sovraccarico e crepe nel rivestimento che portano a guasti alla corrosione e guasti dei componenti. Lo shock termico può anche causare modalità di guasto che non si sono verificate durante il ciclo termico lento.

Il guasto meccanico si riferisce principalmente al sovraccarico e all'invecchiamento di impatto causato da shock meccanico e guasto meccanico a fatica causato da vibrazioni meccaniche. Quando l'assemblaggio del circuito stampato è sottoposto a flessione, agitazione o altre sollecitazioni, può causare il guasto del giunto di saldatura. Quando l'assemblaggio del circuito stampato è sottoposto a flessione, agitazione o altre sollecitazioni, può causare il guasto del giunto di saldatura. In generale, giunti di saldatura sempre più piccoli sono l'anello più debole del componente. Tuttavia, quando collega componenti con strutture flessibili come perni al PCB, poiché i perni possono assorbire parte dello stress, i giunti di saldatura non sopporteranno molto stress. Tuttavia, quando si assemblano componenti senza piombo, specialmente per i dispositivi BGA di grande area, quando i componenti sono sottoposti a urti meccanici, come caduta e PCB sottoposti a maggiore impatto e flessione nelle successive apparecchiature e procedure di prova, i componenti stessi La rigidità è relativamente forte e i giunti di saldatura sopporteranno maggiori sollecitazioni.

Soprattutto per i prodotti elettronici portatili con saldatura senza piombo, a causa delle loro dimensioni ridotte, peso leggero e facile da scivolare, sono più propensi a collidere e cadere durante l'uso e la saldatura senza piombo è superiore alla tradizionale saldatura piombo-stagno. Il modulo elastico e altre caratteristiche fisiche e meccaniche differenti rendono la resistenza dei giunti saldati senza piombo per ridurre l'impatto meccanico. Pertanto, occorre prestare attenzione all'affidabilità dei prodotti elettronici portatili senza piombo e all'affidabilità dell'impatto di caduta. Quando la parte di saldatura è sottoposta a sollecitazioni meccaniche ripetute causate da vibrazioni, causerà il guasto a fatica del giunto di saldatura. Anche quando questo stress è molto inferiore al livello di stress di snervamento, può causare affaticamento del materiale metallico. Dopo un gran numero di piccole ampiezze, cicli di vibrazione ad alta frequenza, si verificherà un guasto alla fatica di vibrazione. Sebbene il danno ai giunti di saldatura sia piccolo per ogni ciclo di vibrazione, si verificheranno crepe ai giunti di saldatura dopo molti cicli. Nel tempo, le crepe si diffonderanno con l'aumento del numero di cicli. Questo fenomeno è più grave per i giunti di saldatura di componenti senza piombo.

Il guasto elettrochimico si riferisce al guasto causato da reazione elettrochimica in determinate condizioni di temperatura, umidità e bias. Le principali forme di guasto elettrochimico sono: ponte causato da inquinanti ionici conduttivi, crescita della dendrite, crescita conduttiva del filamento dell'anodo e baffi di stagno. Residui ionici e vapore acqueo sono gli elementi fondamentali del guasto elettrochimico. I contaminanti ionici conduttivi rimasti sul PCB possono causare ponti tra i giunti di saldatura, soprattutto in un ambiente umido. I residui ionici possono attraversare superfici metalliche e isolanti. Muoviti per formare un cortocircuito. Gli inquinanti ionici possono essere prodotti in molti modi, tra cui pasta di saldatura e residui di flusso di processo di fabbricazione di circuiti stampati, inquinamento manuale e inquinanti atmosferici. Sotto l'influenza combinata del vapore acqueo e del bias DC a bassa corrente, la migrazione del metallo da un conduttore all'altro a causa dell'elettrolisi provoca la crescita di dendriti metallici che sembrano rami e felci. La migrazione dell'argento è la più comune. Rame, stagno e piombo sono anche suscettibili alla crescita della dendrite, ma sono più lenti della crescita della dendrite d'argento. Come la crescita di altri metalli, questo meccanismo di guasto può causare cortocircuiti, perdite e altri guasti elettrici. La crescita dei filamenti conduttivi dell'anodo è un caso speciale di crescita della dendrite. Il trasporto di ioni attraverso l'isolante e tra più conduttori provoca la crescita di filamenti metallici sulla superficie dell'isolante, che possono causare cortocircuiti nelle linee conduttive adiacenti. La frusta di latta si riferisce al fatto che alcuni cristalli singoli di latta simili a frusta cresceranno sulla superficie dello strato di placcatura sotto l'influenza di macchinari, umidità e ambiente durante lo stoccaggio a lungo termine e l'uso del dispositivo, il cui componente principale è lo stagno. Poiché il baffo di latta ha causato diversi gravi incidenti tipici come l'aerospaziale e l'aviazione, ha ricevuto un'attenzione diffusa.