Усталость припоя пайки является одной из основных причин отказа электроники в ходе ее эксплуатации и серьезной проблемой в различных отраслях промышленности. Усталость паяных соединений может привести к выходу из строя этого соединения или даже всей платы, что может вызвать простой оборудования со всеми сопутствующими негативными последствиями.

Основная причина усталостного повреждения припоя – явление теплового расширения. Пайка характерна тем, что в таких соединениях участвуют материалы с различными значениями коэффициентов термического расширения (КТР), есть резкий ступенчатый скачок этой характеристики в паяном соединении. Со временем это приводит к трещинообразованию.

Как КТР влияет на паяные соединения?

Коэффициент термического расширения – свойство материала, которое количественно показывает, насколько материал будет расширяться или сжиматься при изменении температуры. На стадии проектирования новой электронной платы очень важно учитывать эффект теплового расширения, а также определять взаимное расположение ее компонентов, чтобы свести к минимуму риски выхода из строя по механизму усталостной долговечности паяных соединений.

Чрезмерное несоответствие КТР между компонентами интегральной платы может вызвать серьезные повреждения. Например, на рисунке выше показано, что верхний компонент платы припаян к подложке с высоким значением КТР. При нагревании платы компонент почти не деформируется, в то время как подложка расширяется и вытягивает шарики припоя. Противоположный эффект будет происходить, если плата охлаждается ниже исходной температуры, при которой условно температурные деформации считаются равными нулю. В процессе работы оборудования циклически изменяются температура от холодного состояния к горячему и обратно, подводимая к системе мощность и другие параметры эксплуатации. Все это в совокупности приводит к усталости припоя и в конечном итоге к образованию трещин.

Чрезмерное стеснение платы в корпусе

В дополнение к рассогласованию КТР материалов компонентов платы, усталость припоя также может быть вызвана чрезмерным стеснением печатной платы, при котором КТР платы существенно отличается от КТР корпуса. В этом случае тепловое расширение при нагреве вызывает существенный общий изгиб платы. Обычно это обусловлено тем, что плата крепится к жесткому металлическому корпусу болтовыми соединениями без зазоров, что характерно для аэрокосмической или автомобильной отраслей.

Например, рассмотрим плату, присоединенную к алюминиевому корпусу болтами. Относительно жесткий алюминиевый корпус расширяется (при нагревании) и сжимается (при охлаждении) быстрее, чем относительно гибкая печатная плата. При расширении и сжатии корпус будет изгибаться, критически повышая уровень напряжений в паяных соединениях. Учет несоответствия жесткостей платы и ее корпуса, а также отличия их КТР остаются критическими факторами при оценке возможного изгиба платы в процессе термического расширения.

Особенности стеклования материала

Температура стеклования материала – это приблизительная температура, при которой существенно изменяются жесткостные свойства материала и его КТР. При температуре выше температуры стеклования материал мягкий и резиноподобный, с высоким КТР. При температуре ниже он будет жестким и стеклоподобным (хрупкий), с низким КТР.

Важно понимать влияние температуры стеклования при выборе материалов и оценке надежности паяных соединений. Так, например, трещина в паянном соединении может быть результатом стеклования акрилового покрытия, которое наносится на компонент и плату, при снижении температуры. Акрил имеет температуру стеклования около 15°С (59F). Охлаждаясь ниже этой температуры, он становится очень жестким, что приводит к растрескиванию паяного соединения. Повреждения могут накапливаться с каждым последующим термическим циклом.

Понимание феноменов теплового расширения и стеклования является жизненно важным, особенно если вы планируете разрабатывать изделия, работающие в регионе с холодным климатом.

Предсказание усталости припоя

Проблемы учета теплового расширения материалов, связанные с надежностью паяных соединений при термоциклировании, можно решить разными путями. Однако, вследствие сложности, только введения норм и правил проектирования будет недостаточно. С другой стороны, существует численное моделирование. С его помощью можно найти подходящие методы для относительно точного прогнозирования риска возникновения разрушения припоя из-за накопленного усталостного повреждения. Используя модели усталостного разрушения припоя, включенные в Ansys Sherlock, можно численно спрогнозировать ресурс отдельных компонентов платы и платы в целом еще на ранней стадии проектирования.

Определяющие уравнения Ansys Sherlock учитывают свойства материалов всех компонентов и самой печатной платы, размеры компонентов и пайки, а также другие факторы. Это позволяет быстро предсказать поведение припоя в контексте усталостной долговечности.

Трехмерное моделирование отдельных компонентов в Ansys Mechanical позволяет вычислить накопленные деформации ползучести в отдельном (критическом) паяном соединении этого компонента в ходе эксплуатации. В сочетании с различными аналитическими степенными зависимостями этот результат позволит предсказать число термических циклов до отказа.

Вне зависимости от того, какой именно метод анализа используется, прогноз не сможет быть качественным, если значения КТР не являются точными. В отрасли электроники покрытия плат и их комплектующих часто имеют сложную структуру, поэтому оценить значения их КТР без экспериментального измерения трудно. Специалисты Ansys рекомендуют проводить валидацию значений КТР, заложенных в расчеты, методом цифровой корреляции изображений.

Как быть?

Усталость припоя и сегодня остается одной из основных причин отказа в электронике. Большинство компаний, работающих в этой области, скорее всего уже столкнулись с этой проблемой. Знание точных значений КТР компонентов и платы, а также моделирование циклического термического нагружения электроники позволяет компаниям-производителям спрогнозировать ресурс изделия и снизить риски и затраты.

Хотите разобраться, как оценить долговечность электронных компонентов и какие инструменты Ansys для этого понадобятся? Напишите нам о вашей задаче в форме обратной связи по ссылке https://elearning.digitaltwin.ru/online-typical/ и мы обязательно свяжемся с вами!

Оригинал статьи: https://www.ansys.com/blog/solder-fatigue-causes-prevention