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電路板焊點(diǎn)損壞和溫度升高解決方案
電路板設(shè)計因選擇不當(dāng)或組裝工藝不正確而過早損壞。除組件故障外，焊點(diǎn)故障也是產(chǎn)品故障的已知原因。如果關(guān)鍵電路上的一個焊點(diǎn)損壞，那么肯定會有更多。
為什么焊點(diǎn)損壞，如何防止損壞？有幾種眾所周知的原因?qū)е潞更c(diǎn)在運(yùn)行過程中發(fā)生故障。其中一些僅與錯誤選擇焊料，在極端溫度下運(yùn)行或熱機(jī)械故障有關(guān)。如果在設(shè)計過程的早期使用焊點(diǎn)可靠性仿真，則可以確定哪些焊點(diǎn)由于熱應(yīng)力而更容易發(fā)生故障。
電路板焊點(diǎn)損壞的原因
造成電路板焊點(diǎn)故障的常見原因有很多，本質(zhì)上可以是機(jī)械的或熱的。以下是一些已知的焊點(diǎn)損壞的常見原因：
弱焊接/冷接頭
可能在不正確的溫度下形成焊點(diǎn)，導(dǎo)致液相線和低共熔物混合不充分。結(jié)果，關(guān)節(jié)根本沒有足夠的強(qiáng)度來承受甚至很小的應(yīng)力，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)斷裂。還有其他一些焊錫缺陷會降低焊點(diǎn)的強(qiáng)度。
腐蝕
有許多腐蝕源可以氧化PCB中的焊料和附近的導(dǎo)體。過多的濕氣和冷凝水會引起電化學(xué)反應(yīng)，從而驅(qū)動氧化物積聚，從而導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低。盡管助焊劑旨在抵抗氧化，但助焊劑中殘留的殘余物會在操作過程中腐蝕。
反復(fù)的機(jī)械過應(yīng)力
就像任何其他機(jī)械元素一樣，過度的應(yīng)力會引起疲勞并導(dǎo)致機(jī)械故障。機(jī)械循環(huán)和沖擊可能僅由于過度變形而導(dǎo)致焊點(diǎn)損壞。
熱循環(huán)下的疲勞損壞
在極端溫度值之間循環(huán)時，焊點(diǎn)和PCB基板會膨脹，應(yīng)力會累積在焊點(diǎn)中。當(dāng)焊點(diǎn)達(dá)到其焊化溫度以上時，膨脹會更大。應(yīng)力累積會導(dǎo)致微觀裂紋在焊料中傳播。最終，這些裂縫會合并并導(dǎo)致部分或全部斷裂。更多易延展的焊料（即銦含量）可以承受這種類型的故障。
熱沖擊損壞
加熱得太快時，您是否見過一塊玻璃碎片？當(dāng)焊點(diǎn)很快達(dá)到極限溫度時，這種情況也會在弱焊點(diǎn)中發(fā)生。發(fā)生這種情況時，焊點(diǎn)開始迅速膨脹，以至于無法保持機(jī)械結(jié)合，結(jié)果焊點(diǎn)破裂。
評估以上兩點(diǎn)需要直接模擬隨時間推移以及處于穩(wěn)態(tài)的關(guān)節(jié)溫度。溫度可以直接使用現(xiàn)場求解器確定，也可以在電路仿真中確定。
電路元件的焊點(diǎn)可靠性仿真
在電路仿真中，有兩種方法可以確定焊點(diǎn)的溫度：
1.使用元件的結(jié)溫作為焊點(diǎn)溫度的代表。
2.在仿真中包括焊點(diǎn)作為寄生元件。
第一種方法很好地解決了MOSFET，高頻處理器和電力電子器件等組件的大量散熱問題。幾乎所有熱量都將在組件本身中產(chǎn)生，然后再傳導(dǎo)到附近的焊點(diǎn)中。在穩(wěn)定狀態(tài)下，焊點(diǎn)溫度將非常接近組件溫度。這意味著您可以使用一組經(jīng)過驗證的組件模型來確定焊點(diǎn)溫度。
沒有金屬能完美導(dǎo)電，焊點(diǎn)也是如此。焊點(diǎn)有效地充當(dāng)了寄生電阻的來源，并且在操作過程中焊點(diǎn)中散發(fā)的熱量增加了其溫度。組件上的焊點(diǎn)也可以作為組件的輸入和輸出引腳上的非常小的電阻器包含在內(nèi)。除了從組件溫度推斷接頭溫度之外，標(biāo)準(zhǔn)的直流掃描或信號源還可用于檢查接頭本身的溫度升高。
重要的熱和電參數(shù)的變化使這種方法變得困難。以下是一些重要的材料屬性，可用于電路仿真和后續(xù)計算：
接觸電阻：雖然取決于接頭的幾何形狀和材料成分，但通常在mOhm范圍內(nèi)。
溫度系數(shù)：這定義了每W焊點(diǎn)散發(fā)的熱量的溫度變化。沒有溫度系數(shù)值，因為這取決于接頭的幾何形狀，材料成分以及周圍的基板/組件導(dǎo)熱率。
熱膨脹系數(shù)（CTE）：它不直接包含在仿真中，但是在已知溫度升高后確定接頭膨脹時才需要使用。確切的值將取決于焊點(diǎn)組成和材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。
像這樣的簡單電路仿真不會考慮PCB基板的導(dǎo)熱性，因此在電路仿真中不能考慮熱量從焊錫球傳走。這就是為什么直接模擬封裝溫度對于確定焊點(diǎn)溫度上限更有用的原因。然后，可以將在這些模擬中計算出的接頭和元件結(jié)點(diǎn)溫度與市售焊料的典型?250°F上限相比較。
更多用于焊接可靠性分析的工具
在電路仿真中，目標(biāo)是在時域和達(dá)到穩(wěn)態(tài)時將元件溫度與所需的降額值進(jìn)行比較。熱沖擊和熱應(yīng)力是瞬態(tài)現(xiàn)象，可以通過SPICE仿真進(jìn)行檢查。隨著時間的流逝，這可能需要一些手動編程，但是這些模擬器可以直接從組件模型中獲取參數(shù)數(shù)據(jù)來確定溫度變化。
在穩(wěn)態(tài)下，您需要確定焊點(diǎn)的平衡溫度，并使用煙霧分析將其與所需的降額值進(jìn)行比較。要確定準(zhǔn)確的降額，需要權(quán)衡組件溫度，板溫度和板熱膨脹之間的諸多權(quán)衡。
3D多物理場求解器是一種功能更強(qiáng)大，但計算量更大的，用于焊點(diǎn)可靠性仿真的工具。這使您可以直接檢查焊點(diǎn)中的熱量和應(yīng)力累積，而不必從組件溫度推斷出焊點(diǎn)行為。這是一個更強(qiáng)大的解決方案，但并非在每種設(shè)計情況下都需要。