電路板焊點(diǎn)損壞和溫度升高解決方案

2020-04-15

電路板設計因選擇不當或組裝工藝不正確而過(guò)早損壞。除組件故障外，焊點(diǎn)故障也是產(chǎn)品故障的已知原因。如果關(guān)鍵電路上的一個(gè)焊點(diǎn)損壞，那么肯定會(huì )有更多。

為什么焊點(diǎn)損壞，如何防止損壞？有幾種眾所周知的原因導致焊點(diǎn)在運行過(guò)程中發(fā)生故障。其中一些僅與錯誤選擇焊料，在極端溫度下運行或熱機械故障有關(guān)。如果在設計過(guò)程的早期使用焊點(diǎn)可靠性仿真，則可以確定哪些焊點(diǎn)由于熱應力而更容易發(fā)生故障。

電路板焊點(diǎn)損壞的原因

造成電路板焊點(diǎn)故障的常見(jiàn)原因有很多，本質(zhì)上可以是機械的或熱的。以下是一些已知的焊點(diǎn)損壞的常見(jiàn)原因：

弱焊接/冷接頭

可能在不正確的溫度下形成焊點(diǎn)，導致液相線(xiàn)和低共熔物混合不充分。結果，關(guān)節根本沒(méi)有足夠的強度來(lái)承受甚至很小的應力，最終導致關(guān)節斷裂。還有其他一些焊錫缺陷會(huì )降低焊點(diǎn)的強度。

腐蝕

有許多腐蝕源可以氧化PCB中的焊料和附近的導體。過(guò)多的濕氣和冷凝水會(huì )引起電化學(xué)反應，從而驅動(dòng)氧化物積聚，從而導致接頭強度降低。盡管助焊劑旨在抵抗氧化，但助焊劑中殘留的殘余物會(huì )在操作過(guò)程中腐蝕。

反復的機械過(guò)應力

就像任何其他機械元素一樣，過(guò)度的應力會(huì )引起疲勞并導致機械故障。機械循環(huán)和沖擊可能僅由于過(guò)度變形而導致焊點(diǎn)損壞。

熱循環(huán)下的疲勞損壞

在極端溫度值之間循環(huán)時(shí)，焊點(diǎn)和PCB基板會(huì )膨脹，應力會(huì )累積在焊點(diǎn)中。當焊點(diǎn)達到其焊化溫度以上時(shí)，膨脹會(huì )更大。應力累積會(huì )導致微觀(guān)裂紋在焊料中傳播。最終，這些裂縫會(huì )合并并導致部分或全部斷裂。更多易延展的焊料（即銦含量）可以承受這種類(lèi)型的故障。

熱沖擊損壞

加熱得太快時(shí)，您是否見(jiàn)過(guò)一塊玻璃碎片？當焊點(diǎn)很快達到極限溫度時(shí)，這種情況也會(huì )在弱焊點(diǎn)中發(fā)生。發(fā)生這種情況時(shí)，焊點(diǎn)開(kāi)始迅速膨脹，以至于無(wú)法保持機械結合，結果焊點(diǎn)破裂。

評估以上兩點(diǎn)需要直接模擬隨時(shí)間推移以及處于穩態(tài)的關(guān)節溫度。溫度可以直接使用現場(chǎng)求解器確定，也可以在電路仿真中確定。

電路元件的焊點(diǎn)可靠性仿真

在電路仿真中，有兩種方法可以確定焊點(diǎn)的溫度：

1.使用元件的結溫作為焊點(diǎn)溫度的代表。

2.在仿真中包括焊點(diǎn)作為寄生元件。

第一種方法很好地解決了MOSFET，高頻處理器和電力電子器件等組件的大量散熱問(wèn)題。幾乎所有熱量都將在組件本身中產(chǎn)生，然后再傳導到附近的焊點(diǎn)中。在穩定狀態(tài)下，焊點(diǎn)溫度將非常接近組件溫度。這意味著(zhù)您可以使用一組經(jīng)過(guò)驗證的組件模型來(lái)確定焊點(diǎn)溫度。

沒(méi)有金屬能完美導電，焊點(diǎn)也是如此。焊點(diǎn)有效地充當了寄生電阻的來(lái)源，并且在操作過(guò)程中焊點(diǎn)中散發(fā)的熱量增加了其溫度。組件上的焊點(diǎn)也可以作為組件的輸入和輸出引腳上的非常小的電阻器包含在內。除了從組件溫度推斷接頭溫度之外，標準的直流掃描或信號源還可用于檢查接頭本身的溫度升高。

重要的熱和電參數的變化使這種方法變得困難。以下是一些重要的材料屬性，可用于電路仿真和后續計算：

接觸電阻：雖然取決于接頭的幾何形狀和材料成分，但通常在mOhm范圍內。

溫度系數：這定義了每W焊點(diǎn)散發(fā)的熱量的溫度變化。沒(méi)有溫度系數值，因為這取決于接頭的幾何形狀，材料成分以及周?chē)幕?/span>/組件導熱率。

熱膨脹系數（CTE）：它不直接包含在仿真中，但是在已知溫度升高后確定接頭膨脹時(shí)才需要使用。確切的值將取決于焊點(diǎn)組成和材料的玻璃化轉變溫度。

像這樣的簡(jiǎn)單電路仿真不會(huì )考慮PCB基板的導熱性，因此在電路仿真中不能考慮熱量從焊錫球傳走。這就是為什么直接模擬封裝溫度對于確定焊點(diǎn)溫度上限更有用的原因。然后，可以將在這些模擬中計算出的接頭和元件結點(diǎn)溫度與市售焊料的典型?250°F上限相比較。 

更多用于焊接可靠性分析的工具

在電路仿真中，目標是在時(shí)域和達到穩態(tài)時(shí)將元件溫度與所需的降額值進(jìn)行比較。熱沖擊和熱應力是瞬態(tài)現象，可以通過(guò)SPICE仿真進(jìn)行檢查。隨著(zhù)時(shí)間的流逝，這可能需要一些手動(dòng)編程，但是這些模擬器可以直接從組件模型中獲取參數數據來(lái)確定溫度變化。

在穩態(tài)下，您需要確定焊點(diǎn)的平衡溫度，并使用煙霧分析將其與所需的降額值進(jìn)行比較。要確定準確的降額，需要權衡組件溫度，板溫度和板熱膨脹之間的諸多權衡。

3D多物理場(chǎng)求解器是一種功能更強大，但計算量更大的，用于焊點(diǎn)可靠性仿真的工具。這使您可以直接檢查焊點(diǎn)中的熱量和應力累積，而不必從組件溫度推斷出焊點(diǎn)行為。這是一個(gè)更強大的解決方案，但并非在每種設計情況下都需要。