热循环阻力和PCB失效
关键的外卖
由于热膨胀系数不匹配，热循环会对PCB中的导体施加压力。
焊锡球的失败可能是由于整个焊锡球缺乏延展性，这导致焊锡球在其边缘附近断裂。
在HDI板的高纵横比过孔和盲/埋过孔中，过孔的热循环失效最为突出。
该板的过孔和焊点需要具有较高的热循环阻力，以防止断裂。
每个电子设备都有额定寿命，但由于机械冲击、热冲击和振动，仍可能发生过早故障。热循环只是振动的热模拟-重复的机械应力施加在PCB结构上导致疲劳和故障。经过反复的热循环，后期的温升和体积膨胀会导致机械故障。
热循环阻力不是一个可以测量的特定物理性质。相反，它只是电子设备的一种质量，指的是它承受热循环的能力。组件有其需要遵守的绝对最高温度额定值，但重复的热循环会导致两种PCB结构的故障:焊料和过孔。让我们来看看热失效是如何在这些结构中发生的，以及你可以做些什么来帮助防止它。
通孔中的热循环阻力
过孔是一种在反复热循环下容易发生疲劳破坏和断裂的结构。虽然这些结构在极端温度下容易断裂，但防止在热循环下失效完全取决于过孔的机械设计。选择合适的衬底材料也有助于热可靠性。这些要点适用于HDI板中的高纵横比过孔和盲/埋过孔。
就像焊料球的可靠性一样，热循环下的失效是由于铜和衬底的CTE值不匹配而发生的。FR4是一种各向异性材料，垂直于板表面的CTE值为~70 ppm/°C;注意，这与沿表面的CTE值不同，后者为~13 ppm/°C。相比之下，铜的CTE值为~16 ppm/°C。这意味着当板加热到高温时，应力主要沿通孔的轴受到，如下图所示。
由于衬底的热膨胀而作用在通孔孔道上的力。
上面的图像显示了力在一个镀通孔通孔，但也可以为盲的或埋的微孔画出类似的图。这种应力的影响取决于通道口的几何形状，特别是通道口的纵横比和结构。应力集中的位置也取决于经孔沉积和电镀方法，这涉及到从溶液中沉积。
盲的和被埋的微孔
盲微孔在通孔颈部附近有稍薄的镀层。这是主要断裂点的盲通孔在表面层，膨胀的基材推到颈部的通孔。叠置盲孔和埋置微孔容易在叠置的界面处发生断裂。换句话说，埋设的通孔的颈部区域可以从其上面的通孔的底部分离，产生高电阻连接或开路。
IPC最近发布了一个可靠性警告IPC 6012E标准在制造过程中，必须评估盲微孔和埋微孔的可靠性问题。为了确保制造过程中的可靠性，IPC-TM-650中的标准测试方法(方法2.6.27)要求测试试样经受正常的锡膏回流焊截面，使其在连接到4线电阻探头进行6个全回流焊截面时达到230℃或260℃的峰值温度。只要在反复回流剖面过程中，阻力增加不超过5%，即可认为该板具有足够的热循环阻力，可以投入使用。
高纵横比通孔
当一个典型的通孔或埋镀孔在制造过程中沉积时，镀液经历毛细作用。当板浸在镀液中，铜开始沿通孔壁沉积时，表面张力影响镀液如何被拉入通孔。如果镀液在沉积过程中没有充分搅拌和搅拌，由于半月板的形成，铜前驱体在过孔管中心附近被更快地消耗。
这导致过孔桶的中心区域比过孔颈部有更薄的镀层。如果通孔的纵横比较大，则通孔内部的铜涂层将较薄。一旦衬底在高温下膨胀，孔的中心将经历更大的应力集中，更容易开裂。
这里有三种可能的解决方案，涉及到设计和制造:
使用纵横比较小的通孔。对于较长的通孔，这仅仅意味着使通孔直径更大。
使用CTE值接近铜的PCB基板。对于某些设计，例如要求低损耗层压板的高速设计，您可能需要牺牲其他衬底材料的特性以获得较低的CTE值。
确保您的制造商使用低粘度电镀溶液，充分搅拌沉淀铜电镀更均匀地通过桶和颈部。
焊接的可靠性
就像振动疲劳会产生机械故障在焊料球中，热循环也是如此。当焊点的温度升高到较高水平时，焊料的膨胀速率比基材低，但所涉及的力是非常难以预测的。焊料球中的应力集中更容易预测有限元法模型表明，应力集中在球的顶部和底部附近，导致破裂。
这些焊料球在反复的热循环下都可能开裂。
只要焊点有足够的强度和延展性，焊点就能承受反复的热循环。这意味着制造商需要解决任何可能损害焊点强度和延展性的因素。这些因素包括腐蚀、润湿不足、焊料不足和其他只能由制造商解决的因素。确保您的制造商在为制造准备设计时了解您的电路板中的热环境，以防止在重复热循环下焊点失效。
热管理是关键
在重复循环中，应力的积累和消散除了产生应力断裂外，还产生了疲劳破坏的可能性。只要一个布局是适当的设计和合格的，只要一个热管理策略安装到位后，您的电路板将具有更大的热循环阻力和更长的使用寿命。
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