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電路熱循環(huán)試驗(yàn)是將電路板試件放置在高、低溫周期變化的環(huán)境中來(lái)模擬溫度交替變化對(duì)于電子封裝機(jī)械與電氣性能的影響，是評(píng)估焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)熱力學(xué)可靠性的一種重要的試驗(yàn)方式。研究表明，所有電子設(shè)備故障中約有55%是與熱事件相關(guān)。電子設(shè)備在使用過(guò)程中均會(huì)經(jīng)歷熱循環(huán)應(yīng)力，熱循環(huán)載荷來(lái)自于電子產(chǎn)品開(kāi)關(guān)通電造成的功率循環(huán)和其工作環(huán)境變化的溫度循環(huán)。通過(guò)熱循環(huán)試驗(yàn)可以暴露元器件潛在的材料缺陷和制造質(zhì)量缺陷，消除早期失效，提高產(chǎn)品可靠性。

1、焊點(diǎn)裂紋的產(chǎn)生

試驗(yàn)證明，焊點(diǎn)裂紋主要發(fā)生在焊球釬體兩端相鄰兩種材料之間交接面處及其附近釬體內(nèi)。裂紋萌生區(qū)域的具體統(tǒng)計(jì)如表1：

表1 焊點(diǎn)萌生區(qū)域概率

注：PCB為電路板的縮寫(xiě)；IMC為界面合金共化物的縮寫(xiě)

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：由于不同材料熱膨脹系數(shù)的差異以及彈性模量的不同，在溫度循環(huán)的過(guò)程中，這些區(qū)域存在應(yīng)力集中；隨著溫度的循環(huán)變化，焊點(diǎn)周期性地承受著拉伸、剪切作用，最終在應(yīng)力集中的區(qū)域產(chǎn)生裂紋。

2、焊點(diǎn)裂紋的擴(kuò)展

在焊點(diǎn)兩相鄰材料的交界處產(chǎn)生的裂紋一般屬于脆性斷裂，然而隨著裂紋向釬體內(nèi)拓展，斷裂方式則為韌性斷裂。焊點(diǎn)處于低溫環(huán)境時(shí)，焊點(diǎn)的脆性較大，因此表現(xiàn)為交界處的脆性斷裂。當(dāng)溫度升高時(shí)，焊點(diǎn)的屈服應(yīng)力和彈性模量降低，導(dǎo)致焊點(diǎn)的塑性有所提高，界面應(yīng)力有一部分被釬體吸收，裂紋向釬體擴(kuò)展，表現(xiàn)為脆性斷裂與韌性斷裂的混合模式。當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度很高時(shí)，焊點(diǎn)主要表現(xiàn)為塑性，因此裂紋開(kāi)始出現(xiàn)在釬體內(nèi)，表現(xiàn)為韌性斷裂，但當(dāng)溫度降到很低時(shí)焊點(diǎn)表現(xiàn)為脆性，并且IMC層較釬體脆性較大，從而使裂紋向IMC層擴(kuò)展，表現(xiàn)為韌性斷裂與脆性斷裂的混合模式。同時(shí)，值得注意的是，焊點(diǎn)靠PCB側(cè)的破壞程度比靠芯片側(cè)的破壞程度要大。

3、優(yōu)化改善

1. 針對(duì)不同厚度、尺寸、板材的PCB板，回流焊前需加上工裝進(jìn)行回流焊曲線(xiàn)實(shí)際測(cè)試，要求實(shí)測(cè)的溫度符合錫膏推薦溫度曲線(xiàn)。

2. 產(chǎn)品熱管理設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低運(yùn)行溫度。

3. 優(yōu)化三防漆涂覆工藝，例如先做三防再做子母板的互聯(lián)工藝，防止模塊與載板PCB之間發(fā)生三防漆的異常堆積。

總之，焊點(diǎn)可靠性是電子組裝可靠性的重要內(nèi)容，任意一個(gè)焊點(diǎn)的失效，都有可能造成器件甚至系統(tǒng)的整體失效。電子設(shè)備熱循環(huán)試驗(yàn)是測(cè)試設(shè)備焊點(diǎn)可靠性，保證電子設(shè)備預(yù)期壽命的必要手段。

參考文獻(xiàn):《電子封裝可靠性與失效分析》    湯巍 景博 盛增津 編著