Усталость припоя

Усталость припоя - это механическое разрушение припоя из-за деформации при циклической нагрузке. Это часто может происходить при уровнях напряжения ниже предела текучести припоя в результате повторяющихся колебаний температуры, механических колебаний или механических нагрузок . Методы оценки усталостных характеристик припоя включают анализ методом конечных элементов и полуаналитические уравнения в замкнутой форме . ^[1]

Обзор [ править ]

Припой - это металлический сплав, используемый для образования электрических, тепловых и механических соединений между компонентом и подложкой печатной платы (ПП) в электронном узле. Хотя известно, что другие формы циклического нагружения вызывают усталость припоя, было подсчитано, что большая часть электронных отказов происходит термомеханически ^[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.который накапливается и приводит к деградации и возможному разрушению .

Исторически сложилось так, что припои оловянно-свинцовые были обычными сплавами, используемыми в электронной промышленности . Хотя они по-прежнему используются в некоторых отраслях и сферах применения, бессвинцовые припои стали значительно более популярными из-за нормативных требований RoHS . Эта новая тенденция повысила потребность в понимании поведения бессвинцовых припоев.

Была проделана большая работа по характеристике характеристик усталостной ползучести различных припоев и разработке моделей прогнозируемых повреждений, связанных с жизнью, с использованием подхода физики отказов . Эти модели часто используются при оценке надежности паяных соединений. Усталостная долговечность паяного соединения зависит от нескольких факторов, включая: тип сплава и полученную микроструктуру , геометрию соединения, свойства материала компонентов, свойства материала подложки печатной платы, условия нагрузки и граничные условия сборки.

Термомеханическая усталость припоя [ править ]

В течение срока службы продукта он подвергается температурным колебаниям из-за скачков температуры в зависимости от области применения и самонагрева из-за рассеивания мощности компонентами . Глобальное и локальное несоответствие коэффициента теплового расширения (CTE) между компонентом, выводами компонентов, подложкой печатной платы и эффекты системного уровня ^[4] вызывают напряжения в межсоединениях (то есть в паяных соединениях). Повторяющиеся температурные циклы в конечном итоге приводят к термомеханической усталости.

Характеристики деформации различных припоев могут быть описаны на микромасштабе из-за различий в составе и получаемой микроструктуре. Различия в составе приводят к вариациям фаз , размеров зерен и интерметаллидов . Это влияет на восприимчивость к механизмам деформации, таким как движение дислокаций , диффузия и зернограничное скольжение . Во время термоциклирования микроструктура припоя (зерна / фазы) будет иметь тенденцию к укрупнению ^[5], поскольку энергия рассеивается из соединения. В конечном итоге это приводит к зарождению и распространению трещин, которые можно охарактеризовать как накопленное усталостное повреждение. ^[6]

Получающееся в результате объемное поведение припоя описывается как вязкопластическое (т.е. неупругая деформация, зависящая от скорости) с чувствительностью к повышенным температурам. Большинство припоев подвергаются температурному воздействию, близкому к температуре плавления (высокая гомологическая температура) на протяжении всего срока службы, что делает их подверженными значительной ползучести. Было разработано несколько основных моделей для определения характеристик ползучести свинцовых и бессвинцовых припоев. Ползучесть можно описать тремя стадиями: первичная, вторичная и третичная ползучесть. При моделировании припоя вторичная ползучесть, также называемая установившейся ползучестью (постоянная скорость деформации), часто является областью, представляющей интерес для описания поведения припоя в электронике. Некоторые модели также включают первичную ползучесть. Две из самых популярных моделей - это модели с гиперболическим синусом, разработанные Гарофало ^[7] и Анандом ^{[8] [9]} для характеристики ползучести припоя в установившемся состоянии. Эти параметры модели часто включаются в качестве входных данных в FEA. моделирования для правильной характеристики реакции припоя на нагрузку.

Модели усталости [ править ]

В моделях повреждений припоя используется подход, основанный на физике отказов, который связывает физический параметр, который является критическим показателем механизма повреждения (т.е. диапазон неупругой деформации или рассеянная плотность энергии деформации), с циклами до разрушения. Связь между физическим параметром и циклами до отказа обычно принимает степенной или модифицированный степенной характер с константами модели, зависящими от материала. Эти константы модели соответствуют экспериментальным испытаниям и моделированию для различных припоев. Для сложных схем нагружения, линейный закон суперпозиции повреждений Майнера ^[10] используется для расчета накопленных повреждений.

Модель Гроба-Мэнсона [ править ]

Обобщенная модель Коффина – Мэнсона ^{[11] [12] [13] [14]} рассматривает диапазон упругих и пластических деформаций путем включения уравнения Баскина ^[15] и принимает вид:

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

Здесь ∆ε ⁄ 2 представляет диапазон упруго-пластической циклической деформации, E представляет модуль упругости, σ _m представляет собой среднее напряжение, а N _f представляет количество циклов до разрушения. Остальные переменные, а именно σ _f , ε ' _f , b и c, являются коэффициентами усталости и показателями степени, представляющими константы модели материала. Обобщенная модель Коффина – Мэнсона учитывает эффекты многоцикловой усталости (HCF) в первую очередь из-за упругой деформации и малоцикловой усталости (LCF), в первую очередь из-за пластической деформации.

Модель Энгельмайера [ править ]

В 1980-х Энгельмайер предложил модель ^[16] в сочетании с работой Уайлда ^[17], которая учитывала некоторые ограничения модели Коффина-Мэнсона, такие как эффекты частоты и температуры. Его модель принимает аналогичную форму степенного закона:

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

${\ displaystyle c = -0.442-6 \ cdot 10 ^ {- 4} T_ {s} +1.74 \ cdot 10 ^ {- 2} \ ln (1 + f)}$

Энгельмайер связывает общую деформацию сдвига (∆γ) с циклами до разрушения ( N _f ). ε ' _f и c - константы модели, где c - функция средней температуры во время термоциклирования ( T _s ) и частоты термоциклирования ( f ).

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

∆γ можно рассчитать как функцию расстояния от нейтральной точки ( L _D ), высоты паяного соединения ( h _s ), коэффициента теплового расширения (∆ α ) и изменения температуры (∆ T ). В этом случае C - константа эмпирической модели.

Эта модель изначально была предложена для безвыводных устройств с припоем олово-свинец. С тех пор модель была изменена Энгельмайером и другими ^{[ кто? ]} для учета других явлений, таких как свинцовые компоненты, время термоциклирования и бессвинцовые припои. Хотя изначально значительное улучшение по сравнению с другими методами , чтобы предсказать припой усталости, например, тестирования и простые преобразования ускорения, теперь общепризнанно ^{[ править ]} , что Engelmaier и другие модели, основанные на деформации диапазона не обеспечивают достаточную степень точности.

Модель Дарво [ править ]

Дарво ^{[18] [19]} предложил модель, связывающую количество средневзвешенной плотности неупругой работы, количество циклов до зарождения трещины и скорость распространения трещины с характеристическими циклами до разрушения.

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

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

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

В первом уравнении N ₀ представляет количество циклов до зарождения трещины, ∆W представляет неупругую рабочую плотность, K ₁ и K ₂ - константы модели материала. Во втором уравнении da / dN представляет скорость пророгации трещины, ∆W представляет собой неупругую рабочую плотность, K ₃ и K ₄ являются константами модели материала. В этом случае скорость распространения трещины приближается к постоянной. N _f представляет собой характерные циклы до разрушения, а a представляет собой характерную длину трещины. Константы модели можно подобрать для различных припоев, используя комбинацию экспериментальных испытаний иМоделирование методом конечных элементов (МКЭ).

Несколько авторов сочли модель Дарво относительно точной. ^{[20] [21]} Однако из-за опыта, сложности и необходимых ресурсов моделирования, его использование в основном ограничивалось производителями компонентов, оценивающими упаковку компонентов. Модель не получила одобрения в отношении моделирования усталости припоя по всей сборке печатной схемы и оказалась неточной при прогнозировании влияния (трехосности) на уровне системы на усталость припоя. ^[22]

Модель Блаттау [ править ]

Текущая модель усталости паяных соединений, которую предпочитают большинство производителей электронного оборудования во всем мире ^{[ необходима цитата ],} - это модель Блаттау , которая доступна в программном обеспечении Sherlock Automated Design Analysis . Модель Блаттау - это эволюция ^{[ необходима цитата ]} предыдущих моделей, обсуждаемых выше. Блаттау включает использование энергии деформации, предложенной Дарво, при использовании уравнений в замкнутой форме, основанных на классической механике, для расчета напряжения и деформации, прикладываемых к межсоединениям припоя. ^[23] Пример этих расчетов напряжения / деформации для простого компонента с безвыводной микросхемой показан в следующем уравнении:

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

Здесь α - КТР, T - температура, L _D - расстояние до нейтральной точки, E - модуль упругости, A - площадь, h - толщина, G - модуль сдвига, ν - коэффициент Пуассона , a - край длина медной контактной площадки. Нижние индексы 1 относятся к компоненту, 2 и b относятся к плате, а s относятся к паяному соединению. Затем рассчитывается напряжение сдвига (∆τ) путем деления этой рассчитанной силы на эффективную площадь паяного соединения. Энергия деформации вычисляется с использованием диапазона деформации сдвига и напряжения сдвига из следующего соотношения:

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

Это приближает петлю гистерезиса к примерно равносторонней форме. Блаттау использует это значение энергии деформации в сочетании с моделями, разработанными Сайедом ^[24], чтобы связать рассеянную энергию деформации с циклами и отказом.

Другие модели усталости [ править ]

Модель Норриса – Ландзберга - это модифицированная модель Коффина – Мэнсона. ^{[25] [26]}

Дополнительные модели на основе диапазона деформации и энергии деформации были предложены несколькими другими. ^{[24] [27] [28]}

Вибрация и циклическая механическая усталость [ править ]

Известно, что усталость от вибрации и циклическая механическая усталость не так распространены, как термомеханическая усталость припоя. Вибрационная усталость обычно рассматривается как многоцикловая усталость (HCF) с повреждением, вызванным упругой деформацией, а иногда и пластической деформацией. Это может зависеть от входного возбуждения как для гармонической, так и для случайной вибрации . Стейнберг ^[29] разработал модель вибрации для прогнозирования времени до отказа на основе рассчитанного смещения платы. Эта модель учитывает профиль входной вибрации, такой как спектральная плотность мощности.или предыстории ускорения, собственной частоты печатной платы и проводимости. Блаттау разработал модифицированную модель Стейнберга ^[30], которая использует деформации на уровне платы, а не смещение, и имеет чувствительность к отдельным типам упаковки.

Кроме того, низкотемпературные изотермические механические циклы обычно моделируются с помощью комбинации диапазона деформации LCF и HCF или моделей энергии деформации. Сплав припоя, геометрия и материалы сборки, граничные условия и условия нагружения будут влиять на то, будет ли в усталостном повреждении преобладать упругое (HCF) или пластическое (LCF) повреждение. При более низких температурах и более высоких скоростях деформации ползучесть можно приблизить к минимуму, и любое неупругое повреждение будет определяться пластичностью. В таких случаях использовалось несколько моделей диапазона деформации и энергии деформации, например, Обобщенная модель Гроба – Мэнсона. В этом случае была проделана большая работа по характеристике модельных констант различных моделей повреждений для различных сплавов.

См. Также [ править ]

• Соединение холодной пайки
• Ползучесть (деформация)
• Усталость (материал)
• Пластичность (физика)
• Заливка (электроника)
• Вибрационная усталость

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• https://code541.gsfc.nasa.gov/publications Материалы TIPs (документы с технической информацией) (приостановлены с июля 2020 г.)
• https://web.archive.org/web/20161227021306/https://code541.gsfc.nasa.gov/Uploads_materials_tips_PDFs/TIP%20090R.pdf Совет по материаловедению * № 090 Усталостные трещины в паяных соединениях, Carl L. Haehner, 1987, 2003. (заархивированная копия)

Внешние ссылки [ править ]

• Калькуляторы усталости паяных соединений