Forrasztási fáradtság - Solder fatigue

A forrasztási fáradtság a forrasztás mechanikus lebomlása ciklikus terhelés hatására bekövetkező deformáció miatt . Ez gyakran előforduló stressz alatti szinteken folyáshatár forraszanyag eredményeként ismételt hőmérséklet-ingadozások, mechanikai rezgések , vagy mechanikai terhelés . A forrasztási fáradtság viselkedésének értékelésére szolgáló technikák magukban foglalják a végeselem-elemzést és a fél-analitikus zárt forma egyenleteket.

Áttekintés

A forrasztott fémötvözet elektromos, termikus és mechanikai összekapcsolások kialakítására szolgál az alkatrész és a nyomtatott áramköri lap (PCB) szubsztrátja között egy elektronikus szerelvényben. Noha a ciklikus terhelés más formáiról ismert, hogy forrasztásos kimerültséget okoznak, becslések szerint az elektronikus hibák legnagyobb részét termomechanikusan hajtják végre a hőmérsékleti ciklusok. A hőciklus során a forrasztásban feszültségek keletkeznek a hőtágulási együttható (CTE) eltérése miatt. Ennek következtében a forrasztási illesztések kúszás és plaszticitás révén helyrehozhatatlan deformációt tapasztalnak, amely felhalmozódik, és degradációhoz és esetleges töréshez vezet .

A történelmileg az ón-ólom-forrasztók általános ötvözetek voltak az elektronikai iparban . Noha ólommentes forrasztóanyagokat továbbra is használnak bizonyos iparágakban és alkalmazásokban, az RoHS szabályozási követelményei miatt jelentősen népszerűbbé váltak . Ez az új trend növeli az ólommentes forrasztók viselkedésének megértésének szükségességét.

Nagyon sok munkát végeztek a különböző forrasztási ötvözetek kúszó-fáradtsági viselkedésének jellemzésére és a prediktív életkárosodási modellek kidolgozására a hiba fizikája megközelítés alkalmazásával. Ezeket a modelleket gyakran használják, amikor megvizsgálják a forrasztott kötések megbízhatóságát. A forrasztott hézagok fáradtsági ideje több tényezőtől függ, beleértve: az ötvözet típusát és az abból eredő mikroszerkezetet , a hézag geometriáját, az alkotóelem anyag tulajdonságait, a PCB szubsztrát anyag tulajdonságait, a terhelési feltételeket és a szerelvény határfeltételeit.

Termomechanikus forrasztási fáradtság

A termék teljes élettartama alatt hőmérsékleti ingadozásokon megy keresztül, az alkalmazás specifikus hőmérsékleti eltérései és az önmelegítés miatt, az alkatrészek energiaeloszlása miatt . A hőtágulási együttható (CTE) globális és helyi eltérései az alkatrész, az alkatrész-vezetékek, a PCB-hordozó és a rendszerszint hatásainál megnövelik a feszültségeket az összekapcsolásokban (azaz a forrasztási kötések). Az ismételt hőmérsékleti ciklus végül termomechanikus fáradtsághoz vezet.

A különböző forrasztási ötvözetek deformációs tulajdonságai a mikroméretben leírhatók az összetétel és a kapott mikroszerkezet különbségei miatt. A kompozíciós különbségek a fázis (ok) ban, a szemcseméretben és az intermetallikumokban változásokhoz vezetnek . Ez befolyásolja a deformációs mechanizmusok iránti érzékenységet , például diszlokációs mozgást, diffúziót és szemcsék határának csúszását . A hőciklus során a forrasztószerkezet mikroszerkezete (szemcsék / fázisok) hajlamosodni fog arra, hogy durva legyen, mivel az energia eloszlik a hézagból. Ez végül a repedés megindulásához és terjedéséhez vezet, amelyet felhalmozódott kimerültségkárosodásnak lehet nevezni.

A forrasztás ebből adódó ömlesztett viselkedését viszkoplasztikusnak (azaz a sebességtől függő elasztikus deformációnak) írják le, megemelve a megemelt hőmérsékleteket. A legtöbb forrasztóberendezés teljes élettartama alatt hőmérsékleti expozíciót tapasztal az olvadás hőmérséklete (magas homológ hőmérséklet ) közelében, ami érzékeny kúszásra hajlamos. Számos konstitutív modellt fejlesztettek ki az ólom és az ólommentes forrasztók kúszó jellemzőinek megragadására. A kúszó viselkedés három szakaszban írható le: elsődleges, másodlagos és harmadlagos kúszás. A forrasztás modellezésekor a szekunder kúszóképesség, amelyet szintén állandó állapotú kúszónak (állandó feszültségsebességnek) neveznek, gyakran az érdekes terület a forrasztás viselkedésének leírására az elektronikában. Egyes modellek tartalmaznak elsődleges kúszást is. Két legnépszerűbb modell a Garofalo és Anand által kifejlesztett hiperbolikus szinuszmodell, amely jellemzi a forrasztás egyensúlyi állapotú kúszását. Ezeket a modellparamétereket gyakran bemeneti tényezőként alkalmazzák a FEA szimulációkban, hogy megfelelően jellemezzék a forrasztás terhelésre adott válaszát.

Fáradtsági modellek

A forrasztott károk modellei a meghibásodás fizikáján alapuló megközelítést alkalmaznak, és a fizikai paramétert, amely a károsodási mechanizmus folyamatának kritikus mércéje (vagyis a rugalmatlan feszültségtartomány vagy az eloszlatott feszültség energia sűrűsége), a ciklusokkal a kudarchoz kapcsolják. A fizikai paraméter és a meghibásodási ciklusok közötti kapcsolat általában egy energia törvényt vagy módosított teljesítmény törvény kapcsolatot vesz fel az anyagfüggő modellállandókkal. Ezek a modellállandók alkalmasak a különböző forrasztóötvözetek kísérleti tesztelésére és szimulációjára. A komplex rakodási rendszereknél a Miner lineáris szuperpozíciós károsodási törvényét alkalmazzák a felhalmozott károk kiszámításához.

Coffin-Manson modell

Az általánosított Coffin-Manson-modell figyelembe veszi a rugalmas és plasztikus deformációs tartományt, beépítve Basquin egyenletét, és a következőképpen alakul:

Itt Δε / 2 jelenti az elasztikus-plasztikus gyűrűs nyúlási tartományban, E jelentése a rugalmassági modulus, σ m jelentése eszközökkel hangsúlyozni, és N f jelentése ciklusok hiba. A fennmaradó változók, nevezetesen σ f , ε ' f , b és c a fáradtsági együtthatók és az anyagmodell állandót képviselő exponensek. Az általánosított Coffin-Manson modell a magas ciklusú fáradtság (HCF) hatásait elsősorban a rugalmas deformáció és az alacsony ciklusos fáradtság (LCF) miatt, elsősorban a plasztikus deformáció miatt.

Engelmaier modell

Az 1980-as években Engelmaier a Wild munkájával összefüggésben egy olyan modellt javasolt, amely a Coffin-Manson modell néhány korlátainak, például a frekvencia és a hőmérséklet hatásainak felel meg. Modelljének hasonló hatalmi törvény formája van:

Az Engelmaier a teljes nyírási törzset (∆γ) a ciklusokhoz kapcsolja a meghibásodáshoz ( N f ). ε” f , és c jelentése a modell állandók, ahol c a függvénye átlaghőmérséklet a termikus ciklus során ( T s ) és a termikus ciklus frekvencia ( f ).

∆γ kiszámítható a semleges pont ( L D ) közötti forrasztási hézag távolsága ( h s ), a hőtágulási együttható (∆ α ) és a temeprate változása (Δ T ) függvényében . Ebben az esetben C empirikus modellállandó.

Ezt a modellt eredetileg ón-ólom-forrasztással ellátott ólom nélküli készülékekhez javasolták. Az Engelmaier és mások azóta módosították a modellt, hogy figyelembe vegyék más jelenségeket, például az ólmozott alkatrészeket, a hőciklusos várakozási időket és az ólommentes forrasztóanyagokat. Miközben kezdetben a forrasztás kimerültségének előrejelzésére szolgáló más technikákkal, mint például a teszteléssel és az egyszerű gyorsítási transzformációkkal, lényeges javulás történt, ma már általánosan elismert tény, hogy az Engelmaier és más, deformációs tartományon alapuló modellek nem nyújtanak kellő pontosságot.

Darveaux modell

Darveaux javaslatot tett egy modellre, amely összekapcsolja a térfogattal súlyozott átlagos rugalmatlan munkasűrűséget, a repedés kezdeteinek ciklusait és a repedés terjedési sebességét a jellemző ciklusokig, amikor a meghibásodás bekövetkezik.

Az első egyenletben N 0 képviseli a berepedés kezdeteinek ciklusát, ∆W a rugalmatlan rugalmat, K 1 és K 2 az anyagmodell állandói. A második egyenletben a da / dN képviseli a repedés előfordulási sebességét, ∆W a rugalmatlan munka sűrűségét, K 3 és K 4 az anyagmodell állandói. Ebben az esetben a repedés terjedési sebességét állandóvá kell közelíteni. N f jelentése a jellemző ciklusok kudarc és a jelentése a jellemző repedés hossza. A modellállandók alkalmasak lehetnek különböző forraszanyag-ötvözetekre a kísérleti tesztelés és a véges elem-elemzés (FEA) szimulációjának kombinációjával .

Számos szerző úgy találta, hogy a Darveaux-modell viszonylag pontos. A szükséges szakértelem, összetettség és szimulációs erőforrások miatt ennek használata elsősorban az alkatrészgyártókra korlátozódott, amelyek az alkatrészek csomagolását értékelik. A modell nem fogadta el a forrasztás kimerültségének modellezését a teljes nyomtatott áramköri egységen belül, és pontatlannak találták a forrasztás fáradtságára gyakorolt ​​rendszerszintű hatások (triaxiálisság) előrejelzésében.

Blattau modell

A jelenlegi forrasztható ízületi fáradtsági modell, amelyet az elektronikus OEM-k többsége világszerte előnyben részesít, a Blattau modell, amely a Sherlock automatizált tervezési elemző szoftverében elérhető . A Blattau modell a fent tárgyalt korábbi modellek hatékony evolúciója. A Blattau magában foglalja a Darveaux által javasolt deformációs energia felhasználását, miközben a klasszikus mechanikán alapuló zárt formájú egyenleteket alkalmazza a forrasztási rendszer összekapcsolására kifejtett feszültség és feszültség kiszámításához. Az egyszerű ólom nélküli forgácskomponens feszültség / feszültség számításának példáját a következő egyenlet mutatja:

Itt α a CTE, T a hőmérséklet, L D a távolság a semleges ponttól, E rugalmassági modulus, A a terület, h a vastagság, G nyírási modulus, ν Poisson hányadosa , a pedig a széle a réz kötés párna hossza. Az 1 felirat a komponensre vonatkozik, a 2 és a b a táblára, az s pedig a forrasztott csatlakozásra. A nyírási feszültséget (∆τ) ezután kiszámítják, ha ezt a kiszámított erőt megosztják a tényleges forrasztási hézag területével. A deformációs energiát a nyírási deformációs tartomány és a nyírási feszültség alapján számolják a következő kapcsolatból:

Ez megközelíti a hiszterézis hurok alakját, amely nagyjából egyenlő oldalú. Blattau ezt a deformációs energiaértéket használja a Syed által kifejlesztett modellekkel együtt, hogy a diszpergált deformációs energiát a ciklusokhoz és a kudarchoz kapcsolja.

Egyéb fáradtsági modellek

További törzstartományt és törzsenergia-alapú modelleket számos más is javasolt.

Rezgés és ciklikus mechanikus fáradtság

Annak ellenére, hogy nem olyan elterjedtek, mint a termomechanikus forrasztási fáradtság, a rezgési fáradtság és a ciklikus mechanikus fáradtság is ismert, hogy forrasztási hibákat okoznak. A rezgési fáradtságot általában magas ciklusú fáradtságnak (HCF) tekintik, amelynek károsodását rugalmas deformáció és néha plasztikus deformáció okozza. Ez a bemeneti gerjesztéstől függhet mind a harmonikus, mind a véletlenszerű rezgésnél . Steinberg kifejlesztett egy vibrációs modellt a meghibásodáshoz szükséges idő előrejelzésére a tábla kiszámított elmozdulása alapján. Ez a modell figyelembe veszi a bemeneti rezgési profilt, például a teljesítményspektrum-sűrűséget vagy a gyorsulási idő előzményeit, az áramköri kártya természetes frekvenciáját és az átadhatóságot. Blattau kifejlesztett egy módosított Steinberg-modellt, amely deszoráció helyett deszkás szintű feszültségeket használ, és érzékeny az egyes csomagtípusokra.

Ezenkívül az alacsony hőmérsékletű izotermikus mechanikus ciklusokat általában LCF és HCF törzstartomány vagy deformációs energia modellek kombinációjával modellezik. A forrasztott ötvözet, az összeszerelés geometriája és az anyagok, a határkörülmények és a terhelési feltételek befolyásolják, hogy a fáradtság károsodást dominál-e rugalmas (HCF) vagy műanyag (LCF) károsodás. Alacsonyabb hőmérsékleteken és a gyorsabb feszültség mellett a kúszás minimálisra becsülhető, és minden elasztikus károsodást a plaszticitás dominál. Számos törzstartomány- és törzsenergia-modellt alkalmaztak az ilyen típusú esetekben, például a Generalized Coffin-Manson modellt. Ebben az esetben sok munka történt a különféle ötvözetek károsodási modelljeinek állandóinak jellemzésére.

Lásd még

Irodalom

További irodalom

Külső linkek