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做好准备
- 了解正确的模拟如何为焊点可靠性设计人员做好准备
- 了解在焊接及其他可靠性模拟中有哪些选项
焊点可靠性模拟可帮助您确定这些焊点是否会在高温或重复热循环下失效。
任何部署在现场的单板都需要有尽可能长的寿命。你需要的最后一件事是让你的板过早地失败，由于糟糕的设计选择或不正确的组装过程。除了部件故障，焊点故障是产品故障的一个已知原因。如果关键电路上的一个焊点失效，肯定会有更多的焊点接踵而来。
焊点为什么会失效，如何预防失效?在操作过程中焊点失效有几个众所周知的原因。其中一些只是与焊料的不正确选择有关，在极端温度下操作，或热机械故障。如果在设计过程的早期使用焊点可靠性模拟，则可以识别哪些焊点更容易由于热诱导应力而失效。
焊点失效的原因
焊点失效的常见原因有很多，本质上可能是机械原因或热原因。以下是一些已知的导致焊点失效的常见原因:
弱焊点/冷接头
焊点可能在不正确的温度下形成，导致液相和共晶的混合不足。因此，关节的强度甚至不足以承受较低的应力，最终导致关节断裂。有其他一些焊料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。虽然焊剂旨在对抗氧化，但焊剂的剩余残留物可以在操作过程中驱动腐蚀。
裸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。
重复机械过度应力
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。当焊点超过其表面时，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。更具韧性的焊料材料(即含铟的材料)可以承受这种类型的故障。
热冲击失效
你见过一块玻璃在加热过快时破碎吗?这也可能发生在薄弱的焊点，当一个接头被迅速带到极端温度。当这种情况发生时，焊点开始快速膨胀，无法保持机械键合，结果焊点断裂。
BGA焊锡球中Von Mises应力的积累
评估上述最后两点需要直接模拟关节随时间和稳态的温度。温度可以直接用场求解器确定，也可以在电路模拟中确定。
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。
将焊点作为寄生元件包括在模拟中。
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元件的大散热。几乎所有的热量都将在组件本身产生，然后传导到附近的焊点。在稳态下，焊点温度会非常接近组件温度。这意味着你可以用一套确定焊点温度的方法验证的组件模型．
没有一种金属是完全导电的，焊点也是如此。焊点有效地充当寄生电阻的来源，并且在操作过程中在焊点中消散的热量增加了其温度。组件上的焊点也可以包括在组件的输入和输出引脚上的一个非常小的电阻。除了从元件温度推断接头温度外，标准直流扫描或信号源还可用于检查接头本身的温升。
重要的热和电参数的变化使这种方法很困难。以下是一些用于电路模拟和后续计算的重要材料特性:
接触电阻:这通常在莫姆范围内，尽管这取决于关节的几何形状和材料成分。
温度系数:这定义了每W通过焊点散热的温度变化。没有单一的温度系数值，因为这取决于接头的几何形状、材料组成和周围的衬底/组件热导率。
热膨胀系数(CTE):这没有直接包含在模拟中，但在已知温升后，这是确定接头膨胀所必需的。准确的数值取决于焊点组成和材料的玻璃化转变温度。
这样一个简单的电路模拟没有考虑PCB基板的热导率，因此在电路模拟中不能考虑焊料球的热传输。这就是为什么直接模拟封装温度对于确定焊点温度上限更有用。在这些模拟中计算的接头和组件结温可以与典型的~250°F的商业可用焊料上限温度进行比较。
焊料可靠性分析的更多工具
在电路模拟中，目标是将元件温度与期望的降额值进行比较，无论是在时域内还是在达到稳态时。热冲击和热诱导应力是可以用SPICE模拟检查的瞬态现象。随着时间的推移，这可能需要一些手动编程，但这些模拟器可以直接从组件模型中获取参数数据，以确定温度变化。
在稳态下，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，封装和电路板会发生热膨胀，就像波峰焊的情况一样。
用于焊点可靠性模拟的一个更强大，但计算强度更高的工具是3D多物理场求解器。这使您可以直接检查焊点中的热量和应力积聚，而不是从组件温度推断焊点的行为。这是一种更强大的解决方案，但并非在每种设计情况下都需要它。
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设计和分析工具是理想的评估电路模拟中的温升。设计和仿真工具PSpice软件模拟器和全套分析工具从节奏是理想的模拟你的董事会的所有方面，因为它的运作。您将拥有评估整个电路的可靠性和优化各种操作参数所需的功能。
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