焊点可靠性模拟与温升
关键外卖:
- 了解可能导致焊点失效的原因以及如何为此做好准备
- 发现如何适当的模拟可以为焊点可靠性设计人员做好准备
- 了解在焊接的可靠性模拟中有什么选择
焊点可靠性模拟可以帮助您确定这些焊点在高温或重复热循环下是否会失效。
任何部署在现场的板都需要有尽可能长的寿命。你最不需要的就是让你的电路板因为糟糕的设计选择或不正确的组装过程而过早地失败。除了部件故障，焊点故障也是产品故障的已知原因。如果一个关键电路上的焊点失效，肯定会有更多的焊点紧随其后。
为什么焊点失效，如何防止失效?在操作过程中焊点失效有几个众所周知的原因。其中一些只是与错误的焊料选择有关，在极端温度下操作，或热机械故障。如果您在设计过程的早期使用焊点可靠性模拟，您可以识别哪些焊点更容易由于热诱导应力失效。
焊点失效的原因
焊点失效的常见原因有很多，可以是机械的，也可以是热的。以下是一些常见的导致焊点失效的原因:
弱焊料/冷关节
焊点可能在不正确的温度下形成，导致液相线和共晶熔体混合不足。因此，关节的强度不足以处理低应力，最终导致关节断裂。有其他一些焊锡缺陷这会降低焊点的强度。
腐蚀
有许多腐蚀源可以氧化PCB中的焊料和附近的导体。过高的湿度和冷凝会诱发电化学反应，导致氧化物积累，导致接头强度降低。虽然助焊剂是用来抗氧化的，但在操作过程中，助焊剂残留会导致腐蚀。
暴露导体上的暗膜是由于水损伤和随后的腐蚀而形成的氧化膜。
重复机械过分强调
就像任何其他机械元件一样，过度的应力会引起疲劳并导致机械故障。机械循环和冲击会导致焊点由于过度变形而失效。
热循环下的疲劳失效
当在极端温度值之间循环时，焊点和PCB基板会膨胀，应力会在焊点中积累。当焊点高于它们的高度时，会发生更大的膨胀玻璃化转变温度．应力的积累导致微观裂纹在焊料中传播。最终，这些裂缝会合并并导致部分或全部断裂。更有韧性的焊锡材料(即含铟的焊锡材料)可以承受这种类型的失效。
热冲击失败
你见过一块玻璃在加热过快时破碎吗?这也可能发生在弱焊点，当一个焊点被迅速带到极端温度。当这种情况发生时，焊点开始迅速膨胀，无法保持机械连接，结果导致焊点断裂。
BGA焊锡球的冯米塞斯应力积累
计算上述最后两点需要直接模拟关节温度随时间和稳态的变化。温度可以直接用场求解器来确定，也可以通过电路模拟来确定。
电路元件焊点可靠性仿真
在电路模拟中，有两种方法可以确定焊点的温度:
使用组件的结温度作为焊点温度的代理。
在模拟中包括焊点作为寄生元件。
第一种方法可以很好地解释mosfet、高频处理器和电力电子元件等组件的大量散热。几乎所有的热量都是在组件本身产生的，然后传导到附近的焊点。在稳定状态下，焊点温度将非常接近组件温度。这意味着你可以用一套验证组件模型．
没有一种金属是完全导电的，这同样适用于焊点。焊点有效地充当寄生电阻的来源，在操作过程中在焊点中耗散的热量增加了其温度。组件上的焊点也可以作为一个非常小的电阻包含在组件的输入和输出引脚上。标准直流扫描或信号源可用于检查接头本身的温升，除了从组件温度推断接头温度之外。
重要的热电参数的变化使这种方法变得困难。以下是一些用于电路模拟和后续计算的重要材料属性:
接触电阻:这通常在莫姆范围内，尽管这取决于接头的几何形状和材料组成。
温度系数:这定义了每W通过焊点散发的热量的温度变化。没有单一的温度系数值，因为这取决于接头的几何形状、材料组成和周围的基板/组件的导热系数。
热膨胀系数(CTE):这没有直接包含在模拟中，但这是确定温升已知后的关节膨胀所必需的。确切的数值将取决于焊点组成和材料的玻璃化转变温度。
像这样一个简单的电路模拟没有考虑PCB基板的导热性因此，在电路模拟中不能考虑从焊锡球出发的热传输。这就是为什么直接模拟封装温度对确定焊点温度上限更有用。在这些模拟中计算出的接头和组件结温度可以与商用焊料典型的~250°F的上限温度进行比较。
焊点可靠性分析的更多工具
在电路仿真中，目标是在时域和达到稳态时将元件温度与所需的降额值进行比较。热冲击和热诱导应力是可以用SPICE模拟检验的瞬态现象。这可能需要经过一段时间的手工编程，但这些模拟器可以直接从组件模型获取参数数据，以确定温度变化。
在稳定状态下，您需要确定焊点的平衡温度，并将其与所需的降额值进行比较烟气分析．确定准确的降额需要权衡组件温度、板温度和板热膨胀之间的一些权衡。
当电路板达到高温时，就会发生封装和电路板的热膨胀，就像波峰焊的情况一样。
一种更强大，但计算强度更强的焊点可靠性模拟工具是3D多物理求解器。这允许您直接检查热和应力积累在焊点，而不是推断焊点的行为从组件温度。这是一种更强大的解决方案，但并不是每个设计情况都需要它。
焊点可靠性模拟可能有点尴尬，如果你不使用现场求解器，但一套PCB设计和分析工具用于评估电路模拟中的温升。设计和仿真工具PSpice软件模拟器和全套的分析工具从节奏非常适合模拟您的板子在运行时的所有方面。你将有功能，你需要评估整个电路的可靠性和优化各种运行参数。
如果你想了解更多关于Cadence如何为你提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈．