焊点失效原因分析

焊点可靠性通常是电子系统设计中的一个痛点。各种各样的因素都会影响焊点的可靠性，并且其中任何一个因素都会大大缩短焊点的使用寿命。在设计和制造过程中正确识别和缓解焊点失效的潜在原因可以防止在产品生命周期后期出现代价高昂且难以解决的问题。这里介绍一些要考虑的最常见的焊点失效原因。

1.灌封，底部填充和保形涂料产生的意外应力

2.意外的温度循环极限

3.机械过应力事件

4. PCBA过度约束的情况

5.焊接缺陷

当灌封扩大时，焊球会承受压力

电子行业中经常使用灌封，涂层，铆钉材料和其他密封剂来防止可能会损坏组件的环境条件。但是，这些聚合物材料的热和机械性能可能会发生很大变化。

如果在设计过程中不了解涂层和灌封的材料特性，它们会产生复杂的负载条件，从而不利地影响焊点的可靠性。例如，如果组件被浸涂，则涂层将在诸如球栅阵列（BGA）和四方扁平无引线（QFN）之类的组件下方流动。涂层将在热循环过程中膨胀，并可能会将元件“提离”电路板，从而在焊点上施加拉应力。

某些组件安装条件和灌封/涂层应用技术可能会在组件焊点上产生不必要的应力，例如拉伸应力。根据所用灌封/涂层的材料特性，这些应力可能足够大，以至于严重影响焊点疲劳寿命。

指定灌封或涂层时要考虑的最重要的材料特性是玻璃化转变温度，模量和热膨胀系数-高于和低于玻璃化转变温度。玻璃化温度是指材料在硬/玻璃状和软/橡胶状稠度之间转变的温度。

灌封的一个常见问题是，当产品设计过程中未完全理解的材料与玻璃化转变温度过高有关时。在某些用于电子灌封的聚合物中，当材料冷却到其玻璃化转变温度以下时，弹性模量可以增加20倍。

如果热循环在这种材料的玻璃化转变温度以下延伸，则在冷停留期间焊料所承受的应力和由此产生的蠕变应变将很高且会损坏。这种作用会大大降低疲劳寿命。

此处提到的示例只是一些复杂而有害的加载条件中的一部分，这些条件可能是由于不完全了解灌封，涂层或底部填充的热和机械材料特性而导致的。

意外的温度循环极限

意外焊点故障的另一个常见原因是电子系统所经历的温度循环参数的不正确表征。例如，开/关周期，暴露在直射的阳光下，在不同气候和其他几种来源之间的传播会给印刷电路板元器件（PCBA）或组件增加意想不到的温度波动。

为了生成电子系统最准确的可靠性指标，在运行有限元分析（FEA）模拟或物理产品鉴定之前，必须详细表征其将经历的温度循环。

此外，如果组件中包含灌封或其他聚合物，则如果未正确确定最高和最低温度，则遇到上述玻璃化转变问题的风险会增加。

当在机械事件（例如冲击，跌落，在线测试，电路板去面板化，连接器插入或PCBA插入）中焊点承受过大负载时，就会发生机械过应力故障。

应力过大的故障通常很难预测，因此很难防止。冲击测试研究表明，最佳解决方案是此类故障的随机故障分布。

沿IMC的骨折

焊点过应力故障通常表现为沿金属间连接（IMC）的焊坑或焊缝破裂。焊盘凹坑是指在焊点铜焊盘下方的层压板中的凹坑状裂纹。IMC是铜垫和焊料结合形成Cu 3 Sn或Cu 6 Sn 5的区域。这是焊点最脆的区域，这就是为什么它是最容易承受过应力的区域的原因。

通常在较细间距的组件（主要是BGA）上或使用特别脆的层压板时会出现这种类型的故障。焊盘缩孔是一个严重的问题，因为它经常导致痕量的断裂。与通常在大部分焊点中发生的疲劳裂纹相反，当机械过应力失效表现为焊缝断裂时，它们通常沿着IMC发生。

由于机械事件故障在很大程度上取决于PCB边界条件和几何形状，因此通常建议使用FEA来预测机械应力过大的风险。使用其他方法很难预测复杂的加载条件或板形。另外，FEA允许应变和曲率量化。

约束条件下电路的热机械反射

PCBA的过度约束条件包括：

· 组件镜像

· 电路板安装条件

· 连接到外壳

它们经常被忽略，会对焊点的寿命产生重大影响。安装点和其他电路板约束对热膨胀，机械冲击事件和振动期间的电路板应变大小和位置有很大影响。

约束会降低电路板的顺应性，并产生电路板应变，这可能会导致位置过紧的元件过早出现焊点故障。此外，安装点的总体布局将直接影响PCBA可能的模式形状。

如果不能很好地理解这些模式形状，则可以以将敏感组件放置在高板应变区域中的方式设计板。FEA是解决此问题的强大工具，因为它使用户可以迭代不同的安装条件。

元器件镜像是另一个常见的过度约束条件，可能会对焊点寿命产生负面影响。镜像是指两个组件在PCBA两侧相似位置中的位置。

模拟控制板和镜像板

镜像会限制电路板的运动，从而降低了组件的封装合规性，这会在焊点中产生额外的应力。研究表明，组件镜像可以将疲劳寿命减少2或3倍。

如果焊点质量较差，上述所有缓解策略都无法防止焊点可靠性问题。因此，必须使用信誉良好的制造商并严格控制流程来构造PCBA。

存在各种各样的焊点缺陷，它们会对可靠性产生负面影响。PCBA到达现场之前，应进行焊点的横截面和外观检查，以确保达到制造质量指标。

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