電(diàn)路板焊点损坏和温度升高解决方案

2020-04-15

電(diàn)路板设计因选择不当或组装工艺不正确而过早损坏。除组件故障外，焊点故障也是产品故障的已知原因。如果关键電(diàn)路上的一个焊点损坏，那么肯定会有(yǒu)更多(duō)。

為(wèi)什么焊点损坏，如何防止损坏？有(yǒu)几种众所周知的原因导致焊点在运行过程中发生故障。其中一些仅与错误选择焊料，在极端温度下运行或热机械故障有(yǒu)关。如果在设计过程的早期使用(yòng)焊点可(kě)靠性仿真，则可(kě)以确定哪些焊点由于热应力而更容易发生故障。

電(diàn)路板焊点损坏的原因

造成電(diàn)路板焊点故障的常见原因有(yǒu)很(hěn)多(duō)，本质上可(kě)以是机械的或热的。以下是一些已知的焊点损坏的常见原因：

弱焊接/冷接头

可(kě)能(néng)在不正确的温度下形成焊点，导致液相線(xiàn)和低共熔物(wù)混合不充分(fēn)。结果，关节根本没有(yǒu)足够的强度来承受甚至很(hěn)小(xiǎo)的应力，最终导致关节断裂。还有(yǒu)其他(tā)一些焊锡缺陷会降低焊点的强度。

腐蚀

有(yǒu)许多(duō)腐蚀源可(kě)以氧化PCB中的焊料和附近的导體(tǐ)。过多(duō)的湿气和冷凝水会引起電(diàn)化學(xué)反应，从而驱动氧化物(wù)积聚，从而导致接头强度降低。尽管助焊剂旨在抵抗氧化，但助焊剂中残留的残余物(wù)会在操作过程中腐蚀。

反复的机械过应力

就像任何其他(tā)机械元素一样，过度的应力会引起疲劳并导致机械故障。机械循环和冲击可(kě)能(néng)仅由于过度变形而导致焊点损坏。

热循环下的疲劳损坏

在极端温度值之间循环时，焊点和PCB基板会膨胀，应力会累积在焊点中。当焊点达到其焊化温度以上时，膨胀会更大。应力累积会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(fēn)或全部断裂。更多(duō)易延展的焊料（即铟含量）可(kě)以承受这种类型的故障。

热冲击损坏

加热得太快时，您是否见过一块玻璃碎片？当焊点很(hěn)快达到极限温度时，这种情况也会在弱焊点中发生。发生这种情况时，焊点开始迅速膨胀，以至于无法保持机械结合，结果焊点破裂。

评估以上两点需要直接模拟随时间推移以及处于稳态的关节温度。温度可(kě)以直接使用(yòng)现场求解器确定，也可(kě)以在電(diàn)路仿真中确定。

電(diàn)路元件的焊点可(kě)靠性仿真

在電(diàn)路仿真中，有(yǒu)两种方法可(kě)以确定焊点的温度：

1.使用(yòng)元件的结温作為(wèi)焊点温度的代表。

2.在仿真中包括焊点作為(wèi)寄生元件。

第一种方法很(hěn)好地解决了MOSFET，高频处理(lǐ)器和電(diàn)力電(diàn)子器件等组件的大量散热问题。几乎所有(yǒu)热量都将在组件本身中产生，然后再传导到附近的焊点中。在稳定状态下，焊点温度将非常接近组件温度。这意味着您可(kě)以使用(yòng)一组经过验证的组件模型来确定焊点温度。

没有(yǒu)金属能(néng)完美导電(diàn)，焊点也是如此。焊点有(yǒu)效地充当了寄生電(diàn)阻的来源，并且在操作过程中焊点中散发的热量增加了其温度。组件上的焊点也可(kě)以作為(wèi)组件的输入和输出引脚上的非常小(xiǎo)的電(diàn)阻器包含在内。除了从组件温度推断接头温度之外，标准的直流扫描或信号源还可(kě)用(yòng)于检查接头本身的温度升高。

重要的热和電(diàn)参数的变化使这种方法变得困难。以下是一些重要的材料属性，可(kě)用(yòng)于電(diàn)路仿真和后续计算：

接触電(diàn)阻：虽然取决于接头的几何形状和材料成分(fēn)，但通常在mOhm范围内。

温度系数：这定义了每W焊点散发的热量的温度变化。没有(yǒu)温度系数值，因為(wèi)这取决于接头的几何形状，材料成分(fēn)以及周围的基板/组件导热率。

热膨胀系数（CTE）：它不直接包含在仿真中，但是在已知温度升高后确定接头膨胀时才需要使用(yòng)。确切的值将取决于焊点组成和材料的玻璃化转变温度。

像这样的简单電(diàn)路仿真不会考虑PCB基板的导热性，因此在電(diàn)路仿真中不能(néng)考虑热量从焊锡球传走。这就是為(wèi)什么直接模拟封装温度对于确定焊点温度上限更有(yǒu)用(yòng)的原因。然后，可(kě)以将在这些模拟中计算出的接头和元件结点温度与市售焊料的典型〜250°F上限相比较。 

更多(duō)用(yòng)于焊接可(kě)靠性分(fēn)析的工具

在電(diàn)路仿真中，目标是在时域和达到稳态时将元件温度与所需的降额值进行比较。热冲击和热应力是瞬态现象，可(kě)以通过SPICE仿真进行检查。随着时间的流逝，这可(kě)能(néng)需要一些手动编程，但是这些模拟器可(kě)以直接从组件模型中获取参数数据来确定温度变化。

在稳态下，您需要确定焊点的平衡温度，并使用(yòng)烟雾分(fēn)析将其与所需的降额值进行比较。要确定准确的降额，需要权衡组件温度，板温度和板热膨胀之间的诸多(duō)权衡。

3D多(duō)物(wù)理(lǐ)场求解器是一种功能(néng)更强大，但计算量更大的，用(yòng)于焊点可(kě)靠性仿真的工具。这使您可(kě)以直接检查焊点中的热量和应力累积，而不必从组件温度推断出焊点行為(wèi)。这是一个更强大的解决方案，但并非在每种设计情况下都需要。