焊点可靠性仿真

焊点可靠性仿真

关键要点：

·了解可能导致焊点失效的原因以及如何进行准备;

·探索适当的仿真如何使设计师为焊点可靠性做好准备;

·了解可靠性仿真中对于焊接及其他方面有哪些选择

焊点在高温下和重复的热循环下会失效

任何产品中的电路板都需要具有最长的使用寿命。您需要做的最后一件事是避免电路板因设计不当或组装工艺不正确而过早失效。除组件故障外，焊点故障也是产品故障的已知原因。如果关键电路上的一个焊点失效，那么就导致整个组件失效。

为什么焊点会失效，如何防止失效？有几种众所周知的原因导致焊点在运行过程中发生故障。其中一些仅与选择焊料不当，在极端温度下运行或热机械故障有关。如果在设计过程的早期使用焊点可靠性仿真，则可以确定哪些焊点由于热应力而更容易发生故障。

焊点失效的原因

造成焊点故障的常见原因有很多，本质上可以是机械的或热造成的。以下是一些已知的焊点失效的常见原因.

弱焊接/冷接头

焊点可能在不正确的温度下形成，导致液相线和低共熔体混合不充分。结果，关节根本没有足够的强度来承受甚至很小的应力，最终导致关节断裂。还有其他一些焊锡缺陷会降低焊点的强度。

腐蚀

有许多腐蚀源可以氧化PCB中的焊料和附近的导体。过多的湿气和冷凝水会引起电化学反应，从而驱动氧化物积聚，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会在操作过程中腐蚀。

由于水的破坏和随后的腐蚀，暴露在导体上的暗膜是氧化膜

周期应力疲劳失效

就像任何其他机械结构一样，周期循环应力引起疲劳并导致机械故障。机械循环和冲击可能由于过度变形而导致焊点失效。

热循环下的疲劳失效

在极端温度之间循环时，焊点和PCB基板会膨胀，应力会积聚在焊点中。当焊点达到其玻璃化转变温度以上时，膨胀会更大。应力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或全部断裂。

热冲击破坏

您见过当玻璃加热得太快而发生破碎吗？当焊点很快达到极限温度时，这种情况也会在弱焊点中发生。发生这种情况时，焊点开始快速膨胀，以至于无法维持机械结合，结果焊点破裂。

BGA焊球中的冯·米塞斯（Von Mises）应力

评估上面的最后两点需要直接模拟随时间推移且处于稳定状态的关节温度。温度可以直接使用现场求解器确定，也可以在电路仿真中确定。

电路元件的焊点可靠性仿真

在电路仿真中，有两种方法可以确定焊点的温度：

1.        使用元件的结点温度作为焊点温度。

2.        在仿真中包括焊点作为寄生元件。

第一种方法很好地解决了高频处理器和电力电子设备等组件中的大量散热问题。几乎所有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。这意味着您可以使用一组经过验证的组件模型来确定焊点温度。

没有金属具有完美的导电性，焊点也是如此。焊点有效地充当了寄生电阻的来源，并且在操作过程中焊点中散发的热量增加了它的温度。组件上的焊点也可以作为组件的输入和输出引脚上的非常小的电阻器而包括在内。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用于检查接头本身的温度升高。

重要的热和电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，可用于电路仿真和后续计算：

·接触电阻：虽然取决于接头的几何形状和材料成分，但通常在mOhm范围内。

·温度系数：定义了每W焊点上散发的热量的温度变化。没有单个温度系数值，因为这取决于接头的几何形状，材料成分以及周围的基板/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联合膨胀时才需要此值。确切的值将取决于焊点组成和材料的玻璃化转变温度。

像这样的简单电路仿真不会考虑PCB基板的导热性，因此在电路仿真中不会考虑热量从焊锡球传走。这就是为什么直接模拟封装温度对于确定焊点温度上限更有用的原因。然后，可以将计算出的接头和元件结点温度与商用焊料允许值(250°F)进行比较。

更多用于焊接可靠性分析的工具

在电路仿真中，目标是在时域和达到稳态时将元件温度与所需限值进行比较。热冲击和热应力是瞬态现象，可以通过SPICE仿真进行检查。在稳态下，您需要确定焊点的平衡温度，需要进行稳态传热分析,并权衡组件温度，综合考虑电路板温度和电路板热膨胀的影响。

当电路板达到高温时，封装和电路板就会发生热膨胀，就像波峰焊时一样

3D多物理场求解器是一种功能更强大，但计算量更大的仿真焊点可靠性的工具。这使您可以直接检查焊点中的热量和应力，而不必从组件温度推断出焊点行为。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它。