Công nghệ PCBA - Phân tích cơ chế thất bại mệt mỏi của mối hàn SMT

Khi mật độ lắp ráp PCB của các thiết bị điện tử ngày càng tăng và kích thước của các điểm hàn đảm nhận các chức năng kết nối cơ khí và điện ngày càng nhỏ hơn, sự thất bại của bất kỳ điểm hàn nào cũng có thể dẫn đến sự cố tổng thể của thiết bị hoặc thậm chí là hệ thống. Do đó, độ tin cậy của các mối hàn là một trong những chìa khóa cho độ tin cậy của thiết bị điện tử. Trong thực tế, sự thất bại của các mối hàn thường được gây ra bởi sự tương tác của các yếu tố phức tạp khác nhau. Môi trường sử dụng khác nhau có cơ chế thất bại khác nhau. Các cơ chế thất bại chính của mối hàn bao gồm thất bại nhiệt, thất bại cơ học và thất bại điện hóa.

Thất bại nhiệt chủ yếu là thất bại mệt mỏi do chu kỳ nhiệt và sốc nhiệt, và thất bại do nhiệt độ cao cũng được bao gồm. Do hệ số giãn nở nhiệt giữa các yếu tố gắn trên bề mặt, bảng PCB và hàn không phù hợp, khi nhiệt độ môi trường thay đổi hoặc bản thân các yếu tố được làm nóng, các điểm hàn tạo ra ứng suất nhiệt do hệ số giãn nở nhiệt không phù hợp giữa các yếu tố và chất nền, Và sự thay đổi định kỳ của ứng suất sẽ dẫn đến sự thất bại của mệt mỏi nhiệt tại các điểm hàn. Cơ chế biến dạng chính của sự thất bại mỏi nhiệt là creep. Khi nhiệt độ vượt quá một nửa nhiệt độ của lò, creep trở thành một cơ chế biến dạng quan trọng. Đối với các mối hàn thiếc-chì, nó đã vượt quá một nửa nhiệt độ điểm nóng chảy ngay cả ở nhiệt độ phòng. Do đó, creep trở thành cơ chế thất bại mệt mỏi biến dạng nhiệt chính trong quá trình chu kỳ nhiệt.

Thất bại do sốc nhiệt, trái ngược với chu kỳ nhiệt, được gây ra bởi các ứng suất bổ sung lớn gây ra cho các thành phần với tốc độ ấm lên và tốc độ làm mát khác nhau. Trong quá trình chu kỳ nhiệt, nhiệt độ của các bộ phận của thành phần có thể được coi là hoàn toàn phù hợp; Trong điều kiện sốc nhiệt, nhiệt độ của các bộ phận khác nhau của thành viên là khác nhau do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như nhiệt riêng, khối lượng, cấu trúc và cách sưởi ấm, dẫn đến căng thẳng nhiệt bổ sung. Sốc nhiệt có thể gây ra nhiều vấn đề về độ tin cậy, chẳng hạn như mệt mỏi điểm mồ hôi khi quá tải, hỏng ăn mòn và hỏng thành phần do vết nứt trong khu vực phủ. Sốc nhiệt cũng có thể dẫn đến các dạng thất bại không xảy ra trong chu kỳ nhiệt chậm.

Thất bại cơ học chủ yếu đề cập đến quá tải và tác động lão hóa do tác động cơ học, cũng như thất bại mệt mỏi cơ học do rung động cơ học. Sự cố mối hàn có thể xảy ra khi phần tử mạch in bị uốn cong, lắc hoặc các ứng suất khác. Sự cố mối hàn có thể xảy ra khi phần tử mạch in bị uốn cong, lắc hoặc các ứng suất khác. Nói chung, các mối hàn nhỏ hơn và nhỏ hơn là liên kết yếu nhất trong lắp ráp. Tuy nhiên, khi nó kết nối các yếu tố có cấu trúc linh hoạt như pin với PCB, pin có thể hấp thụ một số ứng suất để các mối hàn không chịu được nhiều căng thẳng. Tuy nhiên, khi lắp ráp các thành phần không pin, đặc biệt là đối với các thiết bị BGA lớn, các điểm hàn sẽ chịu được căng thẳng lớn hơn khi các thành phần bị tác động cơ học trong các thiết bị và quy trình thử nghiệm tiếp theo, chẳng hạn như thả và PCB bị tác động và uốn cong nhiều hơn và độ cứng của các thành phần tương đối mạnh. Đặc biệt, các thiết bị điện tử cầm tay được hàn không chì, dễ bị va chạm và rơi trong quá trình sử dụng do kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và dễ trượt. So với hàn chì-thiếc truyền thống, hàn không chì có mô đun đàn hồi cao hơn và các đặc tính vật lý và cơ học khác nhau, làm cho các mối hàn không chì ít chịu được tác động cơ học hơn. Do đó, cần chú ý đến độ tin cậy và tác động rơi của các thiết bị điện tử cầm tay không chì. Khi các bộ phận hàn bị căng thẳng cơ học lặp đi lặp lại do rung động, nó có thể dẫn đến sự thất bại của mỏi mối hàn. Ngay cả khi căng thẳng này thấp hơn nhiều so với mức căng thẳng năng suất, nó có thể gây mệt mỏi cho vật liệu kim loại. Sau một số lượng lớn các chu kỳ rung động biên độ nhỏ, tần số cao, sự thất bại mệt mỏi rung sẽ xảy ra. Mặc dù mỗi chu kỳ rung có ít thiệt hại cho các mối hàn, các vết nứt xảy ra ở các mối hàn sau nhiều chu kỳ rung. Theo thời gian, các vết nứt cũng có thể mở rộng khi số lượng chu kỳ tăng lên. Hiện tượng này nghiêm trọng hơn đối với các mối hàn cho các bộ phận không pin.

Thất bại điện hóa là thất bại do phản ứng điện hóa gây ra trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm và độ lệch nhất định. Các hình thức chính của thất bại điện hóa là: cầu nối do các chất gây ô nhiễm ion dẫn điện, tăng trưởng nhánh, tăng trưởng dây anode dẫn điện và râu thiếc. Dư lượng ion và hơi nước là những yếu tố trung tâm trong thất bại điện hóa. Các chất gây ô nhiễm ion dẫn điện còn lại trên PCB có thể gây ra cầu nối giữa các mối hàn. Đặc biệt là trong môi trường ẩm ướt, dư lượng ion có thể di chuyển trên các bề mặt kim loại và cách nhiệt, tạo thành các mạch ngắn. Các chất gây ô nhiễm ion có thể được tạo ra theo nhiều cách, bao gồm dán hàn và dư lượng chất hàn trong quá trình sản xuất PCB, ô nhiễm hoạt động thủ công và các chất gây ô nhiễm trong khí quyển. Dưới ảnh hưởng chung của hơi nước và thiên vị DC dòng điện thấp, các nhánh kim loại có hình dạng giống như cành cây và dương xỉ phát triển do sự di chuyển của kim loại từ dây dẫn này sang dây dẫn khác do điện phân. Sự di cư của bạc là phổ biến nhất. Đồng, thiếc và chì cũng dễ bị ảnh hưởng bởi sự phát triển của chi nhánh, nhưng chúng phát triển chậm hơn so với chi nhánh bạc. Giống như các kim loại khác, cơ chế thất bại này có thể dẫn đến ngắn mạch, rò rỉ điện và các sự cố điện khác. Sự phát triển của dây anode dẫn điện là một trường hợp đặc biệt của sự phát triển chi nhánh. Việc truyền ion giữa chất cách điện và một số dây dẫn dẫn đến sự phát triển của dây kim loại trên bề mặt của chất cách điện, dẫn đến ngắn mạch dây liền kề. Thiếc là một tinh thể đơn sắc của thiếc phát triển trên bề mặt phủ thiếc dưới tác động của cơ học, độ ẩm và môi trường trong quá trình lưu trữ và sử dụng lâu dài của thiết bị trên PCBA.