Усталость припоя — это механическое разрушение припоя вследствие деформации при циклической нагрузке. Это часто может происходить при уровнях напряжения ниже предела текучести припоя в результате повторяющихся колебаний температуры, механических вибраций или механических нагрузок . Методы оценки усталостного поведения припоя включают анализ методом конечных элементов и полуаналитические уравнения в замкнутой форме . [1]
Припой — это металлический сплав , используемый для образования электрических, тепловых и механических соединений между компонентом и подложкой печатной платы (PCB) в электронной сборке. Хотя известно, что другие формы циклической нагрузки вызывают усталость припоя, было подсчитано, что большая часть отказов электроники вызвана термомеханическими факторами [2] из-за циклического изменения температуры . [3] При термоциклировании в припое возникают напряжения из-за несоответствия коэффициента теплового расширения (КТР). Это приводит к тому, что паяные соединения испытывают невосстановимую деформацию из-за ползучести и пластичности , которые накапливаются и приводят к деградации и возможному разрушению .
Исторически припои олово-свинец были обычными сплавами, используемыми в электронной промышленности . Несмотря на то, что бессвинцовые припои все еще используются в некоторых отраслях и приложениях, они стали значительно более популярными из-за нормативных требований RoHS . Эта новая тенденция усилила необходимость понять поведение бессвинцовых припоев.
Была проделана большая работа по характеристике поведения различных припоев при ползучести и усталости и разработке моделей прогнозирования повреждений в течение срока службы с использованием подхода физики отказов . Эти модели часто используются при попытке оценить надежность паяных соединений. Усталостная долговечность паяного соединения зависит от нескольких факторов, в том числе: типа сплава и полученной микроструктуры , геометрии соединения, свойств материала компонента, свойств материала подложки печатной платы, условий нагрузки и граничных условий сборки.
В течение срока службы изделия оно подвергается колебаниям температуры из-за скачков температуры в зависимости от применения и самонагреванию из-за рассеиваемой мощности компонентов . Глобальные и локальные несоответствия коэффициента теплового расширения (КТР) между компонентом, выводами компонента, подложкой печатной платы и эффекты на уровне системы [4] приводят к возникновению напряжений в межсоединениях (т. е. паяных соединениях). Повторяющиеся циклические изменения температуры в конечном итоге приводят к термомеханической усталости.
Характеристики деформации различных припоев можно описать на микромасштабе из-за различий в составе и получаемой микроструктуре. Различия в составе приводят к изменениям фазы (фаз), размера зерен и интерметаллидов . Это влияет на восприимчивость к механизмам деформации , таким как движение дислокаций , диффузия и скольжение по границам зерен . Во время термоциклирования микроструктура припоя (зерна/фазы) имеет тенденцию к укрупнению [5] по мере рассеивания энергии из соединения. В конечном итоге это приводит к возникновению и распространению трещин , которые можно описать как накопленные усталостные повреждения. [6]