Lödtrötthet

Lödtrötthet är den mekaniska nedbrytningen av lod på grund av deformation under cyklisk belastning. Detta kan ofta inträffa vid spänningsnivåer under sträckgränsen för lod som ett resultat av upprepade temperaturfluktuationer, mekaniska vibrationer eller mekaniska belastningar . Tekniker för att utvärdera lödutmattningsbeteende inkluderar finita elementanalys och semi-analytiska ekvationer i sluten form .

Översikt

Löd är en metallegering som används för att bilda elektriska, termiska och mekaniska sammankopplingar mellan komponenten och kretskortssubstratet ( PCB) i en elektronisk enhet. Även om andra former av cyklisk belastning är kända för att orsaka lödutmattning, har det uppskattats att den största delen av elektroniska fel är termomekaniskt drivna på grund av temperaturcykler . Under termisk cykling genereras spänningar i lodet på grund av mellan termisk expansionskoefficient ( CTE). Detta gör att lödfogarna upplever en icke-återställbar deformation via krypning och plasticitet som ackumuleras och leder till nedbrytning och eventuell brott .

Historiskt sett var tenn-bly lod vanliga legeringar som användes inom elektronikindustrin . Även om de fortfarande används i utvalda industrier och applikationer, blyfria lödningar blivit betydligt mer populära på grund av RoHS regulatoriska krav. Denna nya trend ökade behovet av att förstå beteendet hos blyfria lödningar.

Mycket arbete har gjorts för att karakterisera kryp-utmattningsbeteendet hos olika lödlegeringar och utveckla prediktiva livsskadamodeller med hjälp av ett misslyckandefysik . Dessa modeller används ofta när man försöker bedöma lödfogens tillförlitlighet. Utmattningslivslängden för en lödfog beror på flera faktorer inklusive: legeringstypen och den resulterande mikrostrukturen , foggeometrin, komponentens materialegenskaper, PCB-substratets materialegenskaper, belastningsförhållandena och gränsförhållandena för sammansättningen.

Termomekanisk lödutmattning

Under en produkts livslängd utsätts den för temperaturfluktuationer från applikationsspecifika temperaturavvikelser och självuppvärmning på grund av komponenteffektförlust . Globala och lokala oöverensstämmelser mellan termisk expansionskoefficient (CTE) mellan komponenten, komponentledningarna, PCB-substratet och systemnivån påverkar drivspänningarna i sammankopplingarna (dvs. lödfogar). Upprepad temperaturcykling leder så småningom till termomekanisk trötthet.

Deformationsegenskaperna hos olika lödlegeringar kan beskrivas i mikroskala på grund av skillnaderna i sammansättning och resulterande mikrostruktur. Sammansättningsskillnader leder till variationer i fas (er), kornstorlek och intermetalliska egenskaper . Detta påverkar känsligheten för deformationsmekanismer som dislokationsrörelse , diffusion och korngränsglidning . Under termisk cykling kommer lodets mikrostruktur (korn/faser) att tendera att förgrova när energi försvinner från fogen. Detta leder så småningom till sprickinitiering och spridning som kan beskrivas som ackumulerade utmattningsskador.

Det resulterande bulkbeteendet för lod beskrivs som viskoplastiskt (dvs. hastighetsberoende oelastisk deformation) med känslighet för förhöjda temperaturer. De flesta lod upplever temperaturexponeringar nära sin smälttemperatur (hög homolog temperatur ) under hela sin operativa livstid, vilket gör dem mottagliga för betydande krypning. Flera konstitutiva modeller har utvecklats för att fånga krypegenskaperna hos bly och blyfria lödningar. Krypbeteende kan beskrivas i tre steg: primär, sekundär och tertiär krypning. Vid modellering av lod är sekundär krypning, även kallad steady state-krypning (konstant töjningshastighet), ofta det område av intresse för att beskriva lödbeteende inom elektronik. Vissa modeller har också primär krypning. Två av de mest populära modellerna är hyperboliska sinusmodeller utvecklade av Garofalo och Anand för att karakterisera lodets steady state-krypning. Dessa modellparametrar är ofta inkluderade som indata i FEA -simuleringar för att korrekt karakterisera lödsvaret på laddning.

Trötthetsmodeller

Lödskadamodeller tar ett fysik-av-fel-baserat tillvägagångssätt genom att relatera en fysisk parameter som är ett kritiskt mått på skademekanismprocessen (dvs oelastiskt töjningsintervall eller avledd töjningsenergitäthet) till cykler till fel. Förhållandet mellan den fysiska parametern och cykler till fel antar vanligtvis en effektlag eller modifierad effektlagsrelation med materialberoende modellkonstanter. Dessa modellkonstanter är anpassade från experimentell testning och simulering för olika lödlegeringar. För komplexa laddningsscheman används Miners linjära överlagringsskadelag för att beräkna ackumulerad skada.

Kista-Manson modell

Den generaliserade Coffin–Manson-modellen beaktar det elastiska och plastiska töjningsområdet genom att införliva Basquins ekvation och tar formen:

${\frac {\Delta \epsilon }{2}}={\frac {\sigma _{f}^{'}-\sigma _{m}}{E}}(2N_{f})^{b}+\epsilon _{f}^{'}(2N_{f})^{c }$

Här Nf _{representerar} ∆ε ⁄ 2 det elastisk-plastiska cykliska töjningsområdet, E representerar elasticitetsmodulen, σ _m representerar medelspänning och representerar cykler till brott. De återstående variablerna, nämligen σ _f , ε' _f , b , och c är utmattningskoefficienter och exponenter som representerar materialmodellkonstanter. Den generaliserade Coffin-Manson-modellen står för effekterna av hög cykelutmattning (HCF) främst på grund av elastisk deformation och låg cykelutmattning (LCF) främst på grund av plastisk deformation.

Engelmaier modell

På 1980-talet föreslog Engelmaier en modell, i samband med Wilds arbete, som stod för några av begränsningarna i Coffin-Manson-modellen, såsom effekterna av frekvensen och temperaturen. Hans modell tar en liknande maktlagsform:

$N_{f}(50\%)={\frac {1}{2}}({\frac {\Delta \ gamma }{2\epsilon '_{f}}})^{\frac {1}{c}}$

$c=-0,442-6\cdot 10^{-4}T_{s}+1,74\cdot 10^{-2}\ln(1+f)$

Engelmaier relaterar den totala skjuvtöjningen (∆γ) till cykler till brott ( Nf ₎ . ε' _f och c är modellkonstanter där c är en funktion av medeltemperaturen under termisk cykling ( T _s ) och termisk cykling frekvens ( f ).

$\Delta \gamma =C({\frac {L_{D}}{h_{s}}})\Delta \alpha \Delta T$

∆γ kan beräknas som funktion av avståndet från neutralpunkten ( L _D ) lödfogens höjd ( h _s ), värmeutvidgningskoefficient (∆ α ) och förändring i temperatur (Δ T ). I detta fall C empirisk modellkonstant.

Denna modell föreslogs ursprungligen för blyfria enheter med tenn-blylod. Modellen har sedan dess modifierats av Engelmaier och andra ^{[ vem? ]} för att ta hänsyn till andra fenomen som blyhaltiga komponenter, uppehållstider för termisk cykling och blyfria lödningar. Även om det till en början var en avsevärd förbättring jämfört med andra tekniker för att förutsäga lödtrötthet, såsom testning och enkla accelerationstransformationer, är det nu allmänt erkänt [ ^{citat behövs ]} att Engelmaier och andra modeller som är baserade på töjningsintervall inte ger en tillräcklig grad av noggrannhet.

Darveaux modell

Darveaux föreslog en modell som relaterar mängden volymvägd genomsnittlig oelastisk arbetsdensitet, antalet cykler till sprickinitiering och sprickutbredningshastigheten till de karakteristiska cyklerna till brott.

$N_{0}=K_{1}\Delta W_{avg}^{K_{2}}$

${\frac {da}{dN}}=K_{3}\Delta W_{avg}^{K_{4}}$

$N_{f}=N_{0}+{\frac {a }{da/dN}}=K_{1}\Delta W_{avg}^{K_{2}}+{\frac {a}{K_{3}\Delta W_{avg}^{K_{4}} }}$

I den första ekvationen representerar N ₀ antalet cykler till sprickinitiering, ∆W representerar oelastisk arbetsdensitet, K ₁ och K ₂ är materialmodellkonstanter. I den andra ekvationen representerar da/dN sprickprorogationshastigheten, ∆W representerar oelastisk arbetsdensitet, K ₃ och K ₄ är materialmodellkonstanter. I detta fall uppskattas sprickutbredningshastigheten vara konstant. Nf _. representerar de karakteristiska cyklerna till fel och a representerar den karakteristiska spricklängden Modellkonstanter kan anpassas för olika lödlegeringar med en kombination av experimentell testning och simulering med finita elementanalys ( FEA).

Darveaux-modellen har visat sig vara relativt korrekt av flera författare. Men på grund av den expertis, komplexitet och simuleringsresurser som krävs har dess användning i första hand begränsats till komponenttillverkare som utvärderar komponentförpackningar. Modellen har inte fått acceptans när det gäller modellering av lödutmattning över en hel tryckt kretsenhet och har visat sig vara felaktig när det gäller att förutsäga effekter på systemnivå (triaxialitet) på lödutmattning.

Blattau modell

Den nuvarande lödledsutmattningsmodellen som föredras av majoriteten av elektroniska OEM-tillverkare över hela världen ^{[ citat behövs ]} är Blattau- modellen, som är tillgänglig i programvaran Sherlock Automated Design Analysis . Blattau-modellen är en utveckling ^{[ citat behövs ]} av de tidigare modellerna som diskuterats ovan. Blattau inkorporerar användningen av töjningsenergi som föreslagits av Darveaux, samtidigt som ekvationer i sluten form baserade på klassisk mekanik används för att beräkna spänningen och töjningen som appliceras på lödsammankopplingen. Ett exempel på dessa spännings-/töjningsberäkningar för en enkel ledningsfri chipkomponent visas i följande ekvation:

$(\alpha _{1}-\alpha _{2})\cdot \Delta T\cdot L_{D}=F\cdot ({\frac {L_{D}}{E_ {1}A_{1}}}+{\frac {L_{D}}{E_{2}A_{2}}}+{\frac {h_{S}}{A_{s}G_{s}} }+{\frac {h_{c}}{A_{c}G_{c}}}+({\frac {2-\nu}{9G_{b}a}}))$

Här är α CTE, T är temperatur, L _D är avståndet till neutralpunkten, E är elasticitetsmodulen, A är arean, h är tjockleken, G är skjuvmodulen, ν är Poissons förhållande och a är kanten längden på kopparbindningsdynan. Steckningarna 1 hänvisar till komponenten, 2 och b hänvisar till kortet och s hänvisar till lödfogen. Skjuvspänningen (∆τ) beräknas sedan genom att dividera denna beräknade kraft med den effektiva lödfogsarean. Töjningsenergin beräknas med hjälp av skjuvtöjningsintervallet och skjuvspänningen från följande förhållande:

$\Delta W={\frac {1}{2}}\Delta \gamma \Delta \tau$

Detta uppskattar att hysteresloopen är ungefär liksidig till formen. Blattau använder detta töjningsenergivärde i kombination med modeller utvecklade av Syed för att relatera avledd töjningsenergi till cykler till fel.

Andra trötthetsmodeller

Norris–Landzberg-modellen är en modifierad Coffin–Manson-modell.

Ytterligare töjningsintervall och töjningsenergibaserade modeller har föreslagits av flera andra.

Vibrationer och cyklisk mekanisk utmattning

Även om det inte är lika utbrett som termomekanisk lödutmattning, är vibrationsutmattning och cyklisk mekanisk trötthet också kända för att orsaka lödfel. Vibrationsutmattning anses vanligtvis vara högcykelutmattning (HCF) med skador som drivs av elastisk deformation och ibland plastisk deformation. Detta kan bero på ingångsexciteringen för både harmoniska och slumpmässiga vibrationer . Steinberg utvecklade en vibrationsmodell för att förutsäga tid till fel baserat på den beräknade skivans förskjutning. Denna modell tar hänsyn till ingångsvibrationsprofilen såsom effektspektraltäthet eller accelerationstidshistorik, kretskortets naturliga frekvens och överföringsförmågan. Blattau utvecklade en modifierad Steinberg-modell som använder töjningar på kortnivå snarare än förskjutning och som är känslig för individuella förpackningstyper.

Dessutom är isotermisk mekanisk cykling vid låg temperatur typiskt modellerad med en kombination av LCF- och HCF-töjningsintervall eller töjningsenergimodeller. Lödlegeringen, monteringsgeometri och material, gränsförhållanden och belastningsförhållanden kommer att påverka om utmattningsskador domineras av elastiska (HCF) eller plastiska (LCF) skador. Vid lägre temperaturer och snabbare töjningshastigheter kan krypningen uppskattas vara minimal och eventuell oelastisk skada kommer att domineras av plasticitet. Flera modeller av töjningsintervall och töjningsenergi har använts i denna typ av fall, till exempel Generalized Coffin-Manson-modellen. I det här fallet har mycket arbete gjorts för att karakterisera modellkonstanterna för olika skademodeller för olika legeringar.

Se även

Vidare läsning

https://code541.gsfc.nasa.gov/publications Material TIPS (Technical Information Papers) (på is från och med juli 2020)
https://web.archive.org/web/20161227021306/https://code541.gsfc.nasa.gov/Uploads_materials_tips_PDFs/TIP%20090R.pdf Materials Engineering Branch TIPS* Nr 090 Fatigue Cracks in Solder Joints, Carl. Haehner, 1987, 2003. (arkiverad kopia)

externa länkar

Lödfogutmattningsräknare