電子（zǐ）設備熱循（xún）環失效機理
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發布日期： 2021.07.14
在熱循環環境下（xià），電（diàn）子設備中不同材料的熱膨脹係（xì）數的差別，導致元器件（jiàn）與PCB基（jī）本板連接處產生很高的應力和應變。典型（xíng）元（yuán）器件連接如圖1所（suǒ）示，PCB板膨脹位移XS，元器件（jiàn）膨脹位移XC，焊點高度h。PCB板（bǎn）的膨脹係數大（dà）於元（yuán）器件，XS>XC，此時元器件引線和焊點將承受應力。引線承受彎曲應力，產生塑性彎曲變形，若引線存在又尖又深（shēn）的割痕，導致嚴重應力（lì）集中，會導致引線斷裂失效。若引線工藝完好正常，在很小的位移情況下，引線彎曲疲勞具有上百萬循環壽命，大多數電子（zǐ）設備在壽命期內不會遇（yù）到這樣多大的熱應力循環。焊點由於在高溫下強（qiáng）度較低，在熱循環中會產生（shēng）較（jiào）大的蠕變和應力鬆弛，從而產生裂紋，直至斷裂。
對於無引（yǐn）線的元器（qì）件焊（hàn）接，由於沒有引線的彎曲作用，焊點承受更（gèng）大的應變，如圖2所示。
錫鉛（Sn-Pb）焊料由於其突出的（de）可焊性和可靠性，目前是主要的焊料材料，其融化溫（wēn）度TM=183℃。溫度超過20℃時，錫鉛（Sn-Pb）焊料容易發生蠕變和應力鬆（sōng）弛，溫度越過（guò）或應力（lì）水平越高（gāo）時，焊料的（de）蠕變和應力鬆（sōng）弛越快。
熱循環導致焊點合金（jīn）內部產生熱應（yīng）力-應（yīng）變循（xún）環，同時引發焊點金屬（shǔ）學組織的演化（晶粒組織變粗糙）。力學和（hé）金屬學因素的（de）共同作用，導致宏觀表象為焊（hàn）點裂紋的（de）萌生與（yǔ）擴展，引起電信號傳輸失真的失效現象。隨著疲勞損傷累積，焊點的疲勞壽命消耗大約25%到50%之後，在晶粒交界處形成微孔洞，這些微孔洞增長形成微裂紋，進一步增長並（bìng）聚集成大（dà）裂紋。
圖3表示焊點粘塑性的蠕變應力（lì）鬆弛的疲勞過程。圖中一個（gè）循環滯回環（huán）區域表示消耗一個疲勞（láo）循（xún）環。粘塑性應變能引起（qǐ）的疲勞（láo）損傷，是由一個個周期積累形成的（de）。在較高溫度下，幾十分鍾，在較低的溫度下需要（yào）幾天，焊點應力會完全鬆弛，造成（chéng）的塑性應變，超過這個時間將不會引起更多的疲勞損傷。
圖3中，無引線的焊點會進入屈服階段，每個循環疲勞損傷較大。有（yǒu）引線的焊點（diǎn），由於引線的應力明（míng）顯低於焊點屈服強度（dù），大大減少了每個循環的疲勞損傷。
加（jiā）速試驗時，為了節約時間，停留時（shí）間是不足以使得應力完全鬆弛。其回環區域比相應的能承受完全應力（lì）鬆弛（chí）條件下的回環區域小很多。在同樣的溫度循環範圍下，加速試驗的循（xún）環次數（shù）不直接等同於實際運行的循環次數。
