La fatiga de la soldadura és la degradació mecànica de la soldadura a causa de la deformació sota càrrega cíclica. Això sovint pot ocórrer a nivells d'estrès per sota de la tensió elàstica de la soldadura com a resultat de fluctuacions repetides de temperatura, vibracions mecàniques o càrregues mecàniques. Les tècniques per avaluar el comportament de la fatiga de la soldadura inclouen l'anàlisi d'elements finits i les equacions de forma tancada semianalítiques.Serebreni, M., Blattau, N., Sharon, G., Hillman, C., Mccluskey, P. "Semi-analytical fatigue life model for reliability assessment of solder joints in qfn packages under thermal cycling". SMTA ICSR, 2017. Toronto, ON, https://www.researchgate.net/publication/317569529_SEMI-ANALYTICAL_FATIGUE_LIFE_MODEL_FOR_RELIABILITY_ASSESSMENT_OF_SOLDER_JOINTS_IN_QFN_PACKAGES_UNDER_THERMAL_CYCLING
Visió general La soldadura és un aliatge metàl·lic que s'utilitza per formar interconnexions elèctriques, tèrmiques i mecàniques entre el component i el substrat de la placa de circuit imprès (PCB) en un conjunt electrònic. Tot i que se sap que altres formes de càrrega cíclica causen fatiga de la soldadura, s'ha estimat que la major part de les fallades electròniques són impulsades termomecànicamentG. Sharon, "Temperature Cycling and Electronics", https://www.dfrsolutions.com/hubfs/Resources/services/Temperature-Cycling-and-Fatigue-in-Electronics-White-Paper.pdf a causa dels cicles de temperatura.Wunderle, B.; B. Michel, "Progress in Reliability Research in Micro and Nano Region", Microelectronics and Reliability, V46, Issue 9-11, 2006. En cicles tèrmics, es generen tensions a la soldadura a causa de desajustos del coeficient d'expansió tèrmica (CTE). Això fa que les unions de soldadura experimentin una deformació irrecuperable a través de la fluència i la plasticitat que s'acumula i condueix a la degradació i, finalment, a la fractura. miniatura|Guia de pràctiques recomanada pel NIST: procediments de prova per al desenvolupament de dades de soldadura. Històricament, les soldadures d'estany i plom eren aliatges comuns utilitzats a la indústria electrònica. Tot i que encara s'utilitzen en determinades indústries i aplicacions, les soldadures sense plom s'han tornat significativament més populars a causa dels requisits reglamentaris RoHS. Aquesta nova tendència ha augmentat la necessitat de comprendre el comportament de les soldadures sense plom.
S'ha treballat molt per caracteritzar el comportament de fatiga per fluència de diversos aliatges de soldadura i desenvolupar models predictius de danys a la vida útil utilitzant un enfocament de Física de Fallades. Aquests models s'utilitzen sovint quan s'intenta avaluar la fiabilitat de les unions de soldadura. La vida útil a fatiga d'una unió de soldadura depèn de diversos factors, com ara: el tipus d'aliatge i la microestructura resultant, la geometria de la unió, les propietats del material del component, les propietats del material del substrat de la PCB, les condicions de càrrega i les condicions de contorn del muntatge.
Fatiga termomecànica de la soldadura Durant la vida útil d'un producte, aquest pateix fluctuacions de temperatura a causa d'excursions de temperatura específiques de l'aplicació i autoescalfament a causa de la dissipació de potència dels components. Els desajustos globals i locals del coeficient d'expansió tèrmica (CTE) entre el component, els cables dels components, el substrat de la PCB i els efectes a nivell de sistema impulsen les tensions a les interconnexions (és a dir, les unions de soldadura). Els cicles de temperatura repetits acaben provocant fatiga termomecànica.
Les característiques de deformació de diversos aliatges de soldadura es poden descriure a microescala a causa de les diferències en la composició i la microestructura resultant. Les diferències de composició condueixen a variacions en la fase (s), la mida del gra i els intermetàl·lics. Això afecta la susceptibilitat als mecanismes de deformació com el moviment de dislocació, la difusió i el lliscament del límit del gra. Durant el cicle tèrmic, la microestructura de la soldadura (grans/fases) tendeix a engruixir-seCrina Rauta, Abhijit Dasgupta, Craig Hillman, "Solder Phase Coarsening, Fundamentals, Preparation, Measurement and Prediction", https://www.dfrsolutions.com/hubfs/Resources/services/Solder-Phase-Coarsening-Fundamentals-Preparation-Measurement-and-Prediction.pdf?t=1514473946162 a mesura que l'energia es dissipa de la unió. Això finalment condueix a la iniciació i propagació de fissures, que es pot descriure com a dany per fatiga acumulada.
El comportament resultant de la soldadura es descriu com a viscoplàstic (és a dir, deformació inelàstica dependent de la velocitat) amb sensibilitat a temperatures elevades. La majoria de les soldadures experimenten exposicions a temperatures properes a la seva temperatura de fusió ( temperatura homòloga alta) durant tota la seva vida útil, cosa que les fa susceptibles a una fluència significativa. S'han desenvolupat diversos models constitutius per capturar les característiques de fluència de les soldadures amb plom i sense plom. El comportament de fluència es pot descriure en tres etapes: fluència primària, secundària i terciaria. Quan es modela la soldadura, la fluència secundària, també anomenada fluència en estat estacionari (velocitat de deformació constant), sovint és la regió d'interès per descriure el comportament de la soldadura en electrònica. Alguns models també incorporen la fluència primària. Dos dels models més populars són els models sinusoïdals hiperbòlics desenvolupats per GarofaloGarofalo, F., 1965, "Fundamentals of Creep and Creep-Rupture in Metals", Macmillan, New York. i AnandAnand, L., 1985, "Constitutive Equations for Hot Working of Metals", J. Plasticity, 1(3), p. 213–231Brown, S. B.; Kim, K. H.; Anand, L., 1989, "An Internal Variable Constitutive Model for Hot Working of Metals," Int. J. Plasticity, 5(2), p. 95–130 per caracteritzar la fluència en estat estacionari de la soldadura. Aquests paràmetres del model sovint s'incorporen com a entrades en simulacions FEA per caracteritzar correctament la resposta de la soldadura a la càrrega.
Models de fatiga Els models de danys de soldadura adopten un enfocament basat en la física de la fallada relacionant un paràmetre físic que és una mesura crítica del procés del mecanisme de dany (és a dir, el rang de deformació inelàstica o la densitat d'energia de deformació dissipada) amb els cicles fins a la fallada. La relació entre el paràmetre físic i els cicles fins a la fallada normalment pren una relació de llei de potència o llei de potència modificada amb constants del model dependents del material. Aquestes constants del model s'ajusten a partir de proves experimentals i simulacions per a diferents aliatges de soldadura. Per a esquemes de càrrega complexos, s'utilitza la llei de danys de superposició lineal de MinerM. A. Miner, "Cumulative damage in fatigue", Journal of applied mechanics, vol. 12, p. 159-164, 1945 per calcular el dany acumulat.
Model de Coffin-Manson El model generalitzat de Coffin-MansonL. F. Coffin, "The Problem of Thermal Stress Fatigue in Austenitic Steels", Special Technical Publication 165, ASTM, 1954, p. 31L. F. Coffin, "A study of the Effects of Cyclic Thermal Stresses on a Ductile Metal", Trans. ASME, 76, 931–950 (August 1954).S. S. Manson, "Behavior of materials under conditions of thermal stress", Proceedings of the Heat Transfer Symposium, University of Michigan Engineering Research Institute, Ann Arbor, Mich, p. 9-75, 1953Dowling, N. E., "Mechanical Behavior of Materials", 2nd Edition, Upper Saddle River, New Jersey, 1999. considera el rang de deformació elàstica i plàstica incorporant l'equació de BasquinBasquin, O. H. (1910). "The exponential law of endurance test". Proceedings of the American Society for Testing and Materials. 10: 625–630. i pren la forma:
Aquí ∆ε ⁄ 2 representa el rang de deformació cíclica elasto-plàstica, E representa el mòdul elàstic, σm representa la tensió mitjana i Nf representa els cicles fins a la fallada. Les variables restants, és a dir, σf, ε'f, b i c, són coeficients de fatiga i exponents que representen constants del model de material. El model generalitzat de Coffin-Manson té en compte els efectes de la fatiga de cicle alt (HCF) principalment a causa de la deformació elàstica i la fatiga de cicle baix (LCF) principalment a causa de la deformació plàstica.
Model d'Engelmaier A la dècada del 1980, Engelmaier va proposar un model,Engelmaier, W., "Fatigue Life of Leadless Chip Carrier Solder Joints During Power Cycling", Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, IEEE Transactions on, vol.6, no.3, p. 232-237, September 1983 juntament amb el treball de Wild,Wild, R. N., "Some Fatigue Properties of Solders and Solder Joints", IBM Tech. Rep. 73Z000421, January 1973. que tenia en compte algunes de les limitacions del model de Coffin-Manson, com ara els efectes de la freqüència i la temperatura. El seu model adopta una forma similar de llei de potències:
Engelmaier relaciona la deformació de cisallament total (∆γ) amb els cicles fins a la fallada (Nf). ε' f i c són constants del model on c és una funció de la temperatura mitjana durant el cicle tèrmic (Ts) i la freqüència del cicle tèrmic (f).
∆γ es pot calcular com a funció de la distància des del punt neutre (LD), l'alçada de la unió de soldadura (hs), el coeficient de dilatació tèrmica (∆α) i el canvi de temperatura (ΔT). En aquest cas, C és la constant del model empíric.
Aquest model es va proposar inicialment per a dispositius sense plom amb soldadura d'estany i plom. El model ha estat modificat des de llavors per Engelmaier i altres. per tenir en compte altres fenòmens com ara els components amb plom, els temps de permanència dels cicles tèrmics i les soldadures sense plom. Tot i que inicialment va ser una millora substancial respecte a altres tècniques per predir la fatiga de la soldadura, com ara les proves i les transformades d'acceleració simples, ara es reconeix generalment que Engelmaier i altres models que es basen en el rang de deformació no proporcionen un grau de precisió suficient.
Model de Darveaux DarveauxDarveaux, R., 1997, "Solder Joint Fatigue Life Model", in Design & Reliability of Solder and Solder Interconnections, Proceedings of the TMS, The Minerals, Metals & Materials Society, Orlando, Florida, February 1997.Darveaux, R. (2000) Effect of simulation methodology on solder joint crack growth correlation. Electronic Components and Technology Conference, 2000 IEEE, pp 158–169 va proposar un model que relacionava la quantitat de densitat de treball inelàstic mitjà ponderat per volum, el nombre de cicles fins a l'inici de l'esquerda i la velocitat de propagació de l'esquerda amb els cicles característics fins a la fallada.
A la primera equació , N0 representa el nombre de cicles fins a l'inici de l'esquerda, ∆W representa la densitat de treball inelàstic, K1 i K2 són constants del model de material. A la segona equació, da/dN representa la taxa de prorogació de l'esquerda, ∆W representa la densitat de treball inelàstic, K3 i K4 són constants del model de material. En aquest cas, la taxa de propagació de l'esquerda s'aproxima com a constant. Nf representa els cicles característics fins a la fallada i a representa la longitud característica de l'esquerda. Les constants del model es poden ajustar per a diferents aliatges de soldadura mitjançant una combinació de proves experimentals i simulació d'anàlisi d'elements finits (FEA).