SMT焊点疲劳失效机理分析

随着电子产品组装密度越来越高，承担机械与电气连接功能的焊点尺寸越来越小，而任意一个焊点的失效就有可能造成器件甚至系统的整体失效。因此焊点的可靠性是电子产品可靠性的关键之一。在实际中，焊点的失效通常由各种复杂因素相互作用引发，不同的使用环境有不同的失效机理，焊点的主要失效机理包括热致失效、机械失效和电化学失效等。

热致失效主要是由热循环和热冲击引起的疲劳失效，高温导致的失效同样包括在内。由于表面贴装元件、PCB和焊料之间的热膨胀系数不匹配，当环境温度发生变化时或元件本身功率发热时，由于元器件与基板的热膨胀系数不一致，焊点那就会产生热应力，应力的周期性变化导致焊点的热疲劳失效。热疲劳失效的主要变形机理是蠕变，当温度超过炉点温度的一半时，蠕变就成为重要的变形机理，对于锡铅焊点而言，即使在室温时已超过熔点温度的一半，因此在热循环过程中蠕变成为主要的热变形疲劳失效机理。

相对于热循环而言，热冲击造成的失效是由不同温升速率和冷却速率给组件带来的较大附加应力而产生的。在热循环时，可以认为组件各部分的温度完全一致；而在热冲击条件下由于比热、质量、结构和加热方式等各种因素的影响，组件各部分温度不相同从而产生附加的热应力。热冲击会导致许多可靠性问题，如过载中的汗点疲劳、敷行涂覆处的裂纹导致腐蚀失效和组件故障。热冲击还有可能导致在缓慢的热循环过程中没有出现的失效形式。

机械失效主要是指由机械冲击引起的过载与冲击时效以及由机械振动引起的机械疲劳失效。当印制电路组件受到弯曲，晃动或其他的应力作用时，将可能导致焊点失效。当印制电路组件受到弯曲晃动或其他的应力作用时，将可能导致焊点失效。一般而言，越来越小的焊点是组件中最薄弱的环节。然而当它连接柔性结构如有引脚的元件到PCB上时，由于引脚可以吸收一部分应力，故焊点不会承受很大的应力。但是，当组装无引脚元件时特别是对于大面积的BGA器件，当组件受到机械冲击使，如跌落和PCB在后续的装备和测试工序中受到了较大的冲击和弯曲，而元件本身的刚性又比较强势，焊点就会承受较大的应力。特别对于无铅焊接的便携式电子产品，由于他的小体积、重量轻和易于滑落等特点是其在使用过程中更容易发生碰撞和跌落，而无铅焊料相比传统的铅锡焊料较高的弹性模量和其它不同的物理、力学特征使得无铅焊点抗机械冲击能力下降。因此对于无铅化后的便携式电子产品，及跌落冲击可靠性应该受到重视，当焊接部位受到由振动产生的机械应力反复作用时会导致焊点疲劳失效。即使这种应力远低于屈服应力水平时，也可能引起金属材料疲劳，经过大量小幅值、高频率振动循环之后，振动疲劳失效就会发生。尽管每次振动循环对焊点的破坏很小，但经过很多次循环将会在焊点处产生裂纹。随着时间的推移，裂纹还会随循环次数的增加而蔓延对于无引脚元件焊点来说这种现象更为严重。

电化学失效是指在一定的温度、湿度和偏压条件下由于发生电化学反应而引起的失效。电化学失效的主要形式有：导电离子污染物引起的桥连，枝晶生长、导电阳极丝生长和锡须等。离子残留物与水汽是电化学失效的核心要素，残留在PCB上的导电离子污染物可能引起焊点间的桥连，特别是在潮湿的环境中，离子残留物他们能跨过金属和绝缘表面移动而形成短路。离子污染物可以有多种途径产生，包括印制电路板制造工艺焊膏和助焊剂残留物、手工操作污染和大气中的污染物。在水气和低电流的直流偏压的综合影响下，由于电解引起金属从一个导体向另一个导体迁移，会发生外形像树枝和蕨类植物的金属枝晶成长。银的迁徙是最常见的，铜、锡、铅也容易受枝晶生长的影响，只是他们慢于银的枝晶生长，同其他金属生长的情况一样，这种失效机理能够导致短路、漏电和其它电故障。导电阳极丝生长是枝晶生长的特例。越过绝缘体和数个导体之间的离子运输造成金属细丝在绝缘体表面的生长，这种情形可引起邻近导电线路的短路。锡须指器件在长期存储使用过程中，在机械、湿度、环境的作用下，会在锡镀层的表面生长出一些胡须状的锡单晶体，其中主要成分是锡。由于锡须引起航天航空等几起典型的重大性事故而得到广泛关注。