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電路板焊點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損壞，那么肯定會有更多。
為什么焊點損壞，如何防止損壞？有幾種眾所周知的原因?qū)е潞更c在運行過程中發(fā)生故障。其中一些僅與錯誤選擇焊料，在極端溫度下運行或熱機械故障有關(guān)。如果在設(shè)計過程的早期使用焊點可靠性仿真，則可以確定哪些焊點由于熱應(yīng)力而更容易發(fā)生故障。
電路板焊點損壞的原因
造成電路板焊點故障的常見原因有很多，本質(zhì)上可以是機械的或熱的。以下是一些已知的焊點損壞的常見原因：
弱焊接/冷接頭
可能在不正確的溫度下形成焊點，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的強度。
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)的機械過應(yīng)力
就像任何其他機械元素一樣，過度的應(yīng)力會引起疲勞并導(dǎo)致機械故障。機械循環(huán)和沖擊可能僅由于過度變形而導(dǎo)致焊點損壞。
熱循環(huán)下的疲勞損壞
在極端溫度值之間循環(huán)時，焊點和PCB基板會膨脹，應(yīng)力會累積在焊點中。當(dāng)焊點達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)焊點很快達到極限溫度時，這種情況也會在弱焊點中發(fā)生。發(fā)生這種情況時，焊點開始迅速膨脹，以至于無法保持機械結(jié)合，結(jié)果焊點破裂。
評估以上兩點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。
電路元件的焊點可靠性仿真
在電路仿真中，有兩種方法可以確定焊點的溫度：
1.使用元件的結(jié)溫作為焊點溫度的代表。
2.在仿真中包括焊點作為寄生元件。
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)到附近的焊點中。在穩(wěn)定狀態(tài)下，焊點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溫度。
沒有金屬能完美導(dǎo)電，焊點也是如此。焊點有效地充當(dāng)了寄生電阻的來源，并且在操作過程中焊點中散發(fā)的熱量增加了其溫度。組件上的焊點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)是在時域和達到穩(wěn)態(tài)時將元件溫度與所需的降額值進行比較。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，您需要確定焊點的平衡溫度，并使用煙霧分析將其與所需的降額值進行比較。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大，但計算量更大的，用于焊點可靠性仿真的工具。這使您可以直接檢查焊點中的熱量和應(yīng)力累積，而不必從組件溫度推斷出焊點行為。這是一個更強大的解決方案，但并非在每種設(shè)計情況下都需要。