焊點可靠性通常是電子系統(tǒng)設計中的一個痛點。各種各樣的因素都會影響焊點的可靠性，并且其中任何一個因素都會大大縮短焊點的使用壽命。在設計和制造過程中正確識別和緩解焊點失效的潛在原因可以防止在產(chǎn)品生命周期后期出現(xiàn)代價高昂且難以解決的問題。這里介紹一些要考慮的最常見的焊點失效原因。

1.灌封，底部填充和保形涂料產(chǎn)生的意外應力

2.意外的溫度循環(huán)極限

3.機械過應力事件

4. PCBA過度約束的情況

5.焊接缺陷

當灌封擴大時，焊球會承受壓力。

電子行業(yè)中經(jīng)常使用灌封，涂層，鉚釘材料和其他密封劑來防止可能會損壞組件的環(huán)境條件。但是，這些聚合物材料的熱和機械性能可能會發(fā)生很大變化。

如果在設計過程中不了解涂層和灌封的材料特性，它們會產(chǎn)生復雜的負載條件，從而不利地影響焊點的可靠性。例如，如果組件被浸涂，則涂層將在諸如球柵陣列（BGA）和四方扁平無引線（QFN）之類的組件下方流動。涂層將在熱循環(huán)過程中膨脹，并可能會將元件“提離”電路板，從而在焊點上施加拉應力。

某些組件安裝條件和灌封/涂層應用技術可能會在組件焊點上產(chǎn)生不必要的應力，例如拉伸應力。根據(jù)所用灌封/涂層的材料特性，這些應力可能足夠大，以至于嚴重影響焊點疲勞壽命。

指定灌封或涂層時要考慮的最重要的材料特性是玻璃化轉變溫度，模量和熱膨脹系數(shù)-高于和低于玻璃化轉變溫度。玻璃化溫度是指材料在硬/玻璃狀和軟/橡膠狀稠度之間轉變的溫度。

在“ 焊料疲勞原因和預防” 博客中了解有關玻璃過渡對澆鑄，涂料和底部填充的影響的更多信息。

灌封的一個常見問題是，當產(chǎn)品設計過程中未完全理解的材料與玻璃化轉變溫度過高有關時。在某些用于電子灌封的聚合物中，當材料冷卻到其玻璃化轉變溫度以下時，彈性模量可以增加20倍。

如果熱循環(huán)在這種材料的玻璃化轉變溫度以下延伸，則在冷停留期間焊料所承受的應力和由此產(chǎn)生的蠕變應變將很高且會損壞。這種作用會大大降低疲勞壽命。

此處提到的示例只是一些復雜而有害的加載條件中的一部分，這些條件可能是由于不完全了解灌封，涂層或底部填充的熱和機械材料特性而導致的。

這是有關與灌封和涂層相關的可靠性問題的在線研討會的絕佳資源。

錄制的網(wǎng)絡研討會討論涂料和灌封。

意外焊點故障的另一個常見原因是電子系統(tǒng)所經(jīng)歷的溫度循環(huán)參數(shù)的不正確表征。例如，開/關周期，暴露在直射的陽光下，在不同氣候和其他幾種來源之間的傳播會給印刷電路板元器件（PCBA）或組件增加意想不到的溫度波動。

為了生成電子系統(tǒng)最準確的可靠性指標，在運行有限元分析（FEA）模擬或物理產(chǎn)品鑒定之前，必須詳細表征其將經(jīng)歷的溫度循環(huán)。

此外，如果組件中包含灌封或其他聚合物，則如果未正確確定最高和最低溫度，則遇到上述玻璃化轉變問題的風險會增加。

當在機械事件（例如沖擊，跌落，在線測試，電路板去面板化，連接器插入或PCBA插入）中焊點承受過大負載時，就會發(fā)生機械過應力故障。

應力過大的故障通常很難預測，因此很難防止。沖擊測試研究表明，最佳解決方案是此類故障的隨機故障分布。

沿IMC的骨折

焊點過應力故障通常表現(xiàn)為沿金屬間連接（IMC）的焊坑或焊縫破裂。焊盤凹坑是指在焊點銅焊盤下方的層壓板中的凹坑狀裂紋。IMC是銅墊和焊料結合形成Cu 3 Sn或Cu 6 Sn 5的區(qū)域。這是焊點最脆的區(qū)域，這就是為什么它是最容易承受過應力的區(qū)域的原因。

通常在較細間距的組件（主要是BGA）上或使用特別脆的層壓板時會出現(xiàn)這種類型的故障。焊盤縮孔是一個嚴重的問題，因為它經(jīng)常導致痕量的斷裂。與通常在大部分焊點中發(fā)生的疲勞裂紋相反，當機械過應力失效表現(xiàn)為焊縫斷裂時，它們通常沿著IMC發(fā)生。

由于機械事件故障在很大程度上取決于PCB邊界條件和幾何形狀，因此通常建議使用FEA來預測機械應力過大的風險。使用其他方法很難預測復雜的加載條件或板形。另外，F(xiàn)EA允許應變和曲率量化。

這是討論如何減少與電子組件有關的與沖擊有關的故障的重要資源。

錄制的網(wǎng)絡研討會討論了機械沖擊的可靠性保證。

約束條件下電路的熱機械反射

PCBA的過度約束條件包括：

· 組件鏡像

· 電路板安裝條件

· 連接到外殼

它們經(jīng)常被忽略，會對焊點的壽命產(chǎn)生重大影響。

安裝點和其他電路板約束對熱膨脹，機械沖擊事件和振動期間的電路板應變大小和位置有很大影響。

約束會降低電路板的順應性，并產(chǎn)生電路板應變，這可能會導致位置過緊的元件過早出現(xiàn)焊點故障。此外，安裝點的總體布局將直接影響PCBA可能的模式形狀。

如果不能很好地理解這些模式形狀，則可以以將敏感組件放置在高板應變區(qū)域中的方式設計板。FEA是解決此問題的強大工具，因為它使用戶可以迭代不同的安裝條件。

元器件鏡像是另一個常見的過度約束條件，可能會對焊點壽命產(chǎn)生負面影響。鏡像是指兩個組件在PCBA兩側相似位置中的位置。

模擬控制板和鏡像板

鏡像會限制電路板的運動，從而降低了組件的封裝合規(guī)性，這會在焊點中產(chǎn)生額外的應力。研究表明，組件鏡像可以將疲勞壽命減少2或3倍。

這里有大量資源，討論了系統(tǒng)級別對焊點可靠性的影響。

錄制的網(wǎng)絡研討會討論了系統(tǒng)級別對焊點可靠性的影響。

如果焊點質量較差，上述所有緩解策略都無法防止焊點可靠性問題。因此，必須使用信譽良好的制造商并嚴格控制流程來構造PCBA。

存在各種各樣的焊點缺陷，它們會對可靠性產(chǎn)生負面影響。PCBA到達現(xiàn)場之前，應進行焊點的橫截面和外觀檢查，以確保達到制造質量指標。
編輯：hfy