Tecnologia PCBA - Analisi del meccanismo di guasto alla fatica del giunto saldatore SMT

Man mano che la densità di assemblaggio PCB dei prodotti elettronici diventa sempre più alta, le dimensioni dei giunti di saldatura che svolgono la funzione di connessione meccanica ed elettrica diventano sempre più piccole e il guasto di qualsiasi giunto di saldatura può causare il guasto complessivo di dispositivi e persino sistemi. 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.

Il guasto termico è principalmente guasto a fatica causato dal ciclo termico e dallo shock termico e il guasto causato da alta temperatura è incluso anche. A causa della disallineazione del coefficiente di espansione termica tra componenti montati in superficie, scheda PCB e saldatura, quando la temperatura ambiente cambia o il componente stesso si riscalda, il giunto di saldatura genererà stress termico a causa dell'incoerenza del coefficiente di espansione termica tra il componente e il substrato e il cambiamento periodico di sforzo porterà al guasto a fatica termica del giunto di saldatura. 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 le saldature di piombo di stagno, anche a temperatura ambiente, ha superato la metà della temperatura del punto di fusione. Pertanto, il creep diventa il principale meccanismo di guasto alla fatica della deformazione termica durante il ciclo termico.

Rispetto al ciclo termico, il guasto causato dallo shock termico è causato dal grande sforzo supplementare portato ai componenti da diversi tassi di aumento della temperatura e tassi di raffreddamento. Durante il ciclo termico, si può considerare che la temperatura di ogni parte del componente è completamente coerente; In condizioni di shock termico, a causa dell'influenza di vari fattori quali calore specifico, massa, struttura e modalità di riscaldamento, la temperatura di ogni parte del componente è diversa, generando così ulteriore stress termico. Lo shock termico può causare molti problemi di affidabilità, come affaticamento del punto di sudore in sovraccarico, guasto della corrosione e guasto dei componenti causato da crepe nell'area di rivestimento. Lo shock termico può anche portare a forme di guasto che non si verificano durante cicli termici lenti.

Il guasto meccanico si riferisce principalmente al sovraccarico e all'invecchiamento dell'impatto causato da shock meccanico e guasto meccanico a fatica causato da vibrazioni meccaniche. Quando i componenti del circuito stampato sono sottoposti a flessione, agitazione o altre sollecitazioni, può verificarsi un guasto del giunto di saldatura. Quando i componenti del circuito stampato sono sottoposti a flessione, agitazione o altre sollecitazioni, può verificarsi un guasto del giunto di saldatura. In generale, giunti di saldatura sempre più piccoli sono l'anello più debole dell'assemblaggio. Tuttavia, quando collega componenti con strutture flessibili come perni al PCB, i perni possono assorbire alcune sollecitazioni, quindi i giunti di saldatura non sopporteranno molto stress. Tuttavia, quando si assemblano componenti non pin, specialmente per i dispositivi BGA di grandi dimensioni, quando i componenti sono sottoposti ad impatto meccanico, come caduta e PCB sottoposti a maggiore impatto e flessione nelle apparecchiature e nelle procedure di prova successive e la rigidità dei componenti è relativamente forte, i giunti di saldatura sopporteranno una maggiore sollecitazione. Soprattutto per i prodotti elettronici portatili saldati senza piombo, a causa delle loro dimensioni ridotte, peso leggero e facile scorrimento, sono più propensi a collidere e cadere durante l'uso. Rispetto alla saldatura tradizionale dello stagno di piombo, la saldatura senza piombo ha un modulo elastico più elevato e altre caratteristiche fisiche e meccaniche differenti, che rendono i giunti di saldatura senza piombo meno resistenti all'impatto meccanico. Pertanto, occorre prestare attenzione all'affidabilità dei prodotti elettronici portatili senza piombo e all'impatto di caduta. Quando la parte di saldatura è sottoposta a sollecitazioni meccaniche ripetute generate dalla vibrazione, porterà a guasti di fatica dei giunti di saldatura. Anche se questa tensione è molto inferiore al livello di tensione di snervamento, può anche causare affaticamento dei materiali metallici. Dopo un gran numero di cicli di vibrazione di piccola ampiezza e ad alta frequenza, si verificherà un guasto alla fatica di vibrazione. Sebbene ogni ciclo di vibrazione abbia pochi danni al giunto di saldatura, si verificheranno crepe al giunto di saldatura dopo molti cicli. Con il passare del tempo, le crepe si diffonderanno anche con l'aumento del numero di cicli. Questo fenomeno è più grave per giunti saldati di componenti non pin.

Il guasto elettrochimico si riferisce al guasto causato dalla reazione elettrochimica in determinate condizioni di temperatura, umidità e tensione di polarizzazione. Le principali forme di guasto elettrochimico sono: ponte causato da inquinanti ionici conduttivi, crescita della dendrite, crescita conduttiva del filo dell'anodo e baffi di stagno. Residui ionici e vapore acqueo sono gli elementi fondamentali del guasto elettrochimico. Gli inquinanti ionici conduttivi lasciati sul PCB possono causare ponti tra i giunti di saldatura. Soprattutto in ambienti umidi, i residui ionici possono muoversi attraverso superfici metalliche e isolanti per formare cortocircuiti. Gli inquinanti ionici possono essere generati in molti modi, tra cui pasta di saldatura e residui di flusso nel processo di produzione di PCB, inquinamento manuale e inquinanti nell'atmosfera. Sotto l'influenza combinata del vapore acqueo e della tensione di polarizzazione CC a bassa corrente, a causa della migrazione del metallo da un conduttore all'altro causata dall'elettrolisi, i dendriti metallici a forma di rami e felci cresceranno. La migrazione dell'argento è la più comune. Rame, stagno e piombo sono anche vulnerabili all'influenza della crescita della dendrite, ma sono più lenti della crescita della dendrite d'argento. Come altri metalli, questo meccanismo di guasto può portare a cortocircuito, perdite elettriche e altri guasti elettrici. La crescita del filo conduttivo dell'anodo è un caso speciale di crescita della dendrite. Il trasporto ionico attraverso l'isolante e diversi conduttori provoca la crescita di filamenti metallici sulla superficie dell'isolante, che può causare cortocircuito di linee conduttive adiacenti. I baffi di stagno si riferiscono a baffi come singoli cristalli di stagno che crescono sulla superficie del rivestimento di stagno sotto l'azione di macchinari, umidità e ambiente durante lo stoccaggio a lungo termine e l'uso di dispositivi su PCBA.