Soldar fadiga - Solder fatigue

Fadiga solda é a degradação mecânica de solda devido à deformação sob cargas cíclicas. Este muitas vezes pode ocorrer em estresse níveis abaixo do limite de elasticidade aparente de solda, como resultado das flutuações de temperatura repetidos, mecânicos vibrações ou cargas mecânicas . Técnicas para avaliar o comportamento da fadiga de solda incluem análise de elementos finitos e semi-analíticas equações de forma fechada.

visão global

A solda é uma liga de metal usado para formar as interligações eléctricas, térmicas e mecânicas entre o componente e da placa de circuito impresso do substrato (PCB) em um conjunto electrónico. Embora outras formas de cargas cíclicas são conhecidos por causar fadiga solda, estimou-se que a maior parte das falhas electrónicas são termomecanicamente accionado devido à temperatura de ciclismo. Sob ciclos térmicos, tensões são gerados na solda devido ao coeficiente de expansão térmica desemparelhamentos (CTE). Isto faz com que as juntas de solda para detectar a deformação não recuperável através de fluência e plasticidade que se acumula e leva a degradação eventual e fratura .

Historicamente, soldas de estanho-chumbo eram ligas comuns utilizados na indústria electrónica . Embora eles ainda são usados em indústrias e aplicações selecionados, soldas sem chumbo tornaram-se significativamente mais popular devido a RoHS requisitos regulamentares. Esta nova tendência aumentou a necessidade de compreender o comportamento de soldas sem chumbo.

Muito trabalho foi feito para caracterizar o comportamento creep-fadiga de várias ligas de solda e desenvolver modelos de dano vida preditivos usando um Physics of Failure abordagem. Estes modelos são frequentemente utilizados quando se tenta avaliar solda confiabilidade conjunta. A fadiga de vida de uma junta de solda, depende de vários factores, incluindo: o tipo de liga e resultando microestrutura , a geometria da junta, as propriedades do material do componente, as propriedades do material de substrato PWB, as condições de carga, e as condições de limite do conjunto.

fadiga solda termomecânica

Durante a vida operacional de um produto que é submetido a variações de temperatura de aplicação específica excursões de temperatura e de auto-aquecimento, devido à componente de dissipação de energia . Desemparelhamentos globais e locais de coeficiente de expansão térmica (CTE) entre o componente, componentes de chumbo, substrato PWB, e efeitos ao nível do sistema conduzir tensões nas interligações (isto é, juntas de solda). Ciclos de temperatura repetido, eventualmente, leva à fadiga termomecânica.

As características de deformação de várias ligas de solda pode ser descrito em microescala devido às diferenças em composição e da microestrutura resultante. Diferenças de composição levar a variações na fase (s), o tamanho do grão, e compostos intermetálicos . Isto afecta a susceptibilidade a mecanismos de deformação , tais como o deslocamento de movimento, difusão e de limite do grão deslizante . Durante ciclos térmicos, a microestrutura do solda (grãos / fases) tenderá a engrossar como a energia é dissipada a partir da articulação. Isto conduz eventualmente a rachar iniciação e propagação que pode ser descrito como danos por fadiga acumulada.

O comportamento em massa resultante de solda está descrita como viscoplástico (isto é, taxa de deformação elástica dependente) com sensibilidade a temperaturas elevadas. A maioria das soldas experimentar temperatura exposições nas imediações da sua temperatura de fusão (alta temperatura homóloga ) ao longo do seu tempo de vida operacional o que os torna susceptíveis à deformação significativa. Vários modelos constitutivos foram desenvolvidos para capturar as características de fluência de chumbo e soldas sem chumbo. Comportamento de fluência pode ser descrito, em três estágios: fluência primária, secundária e terciária. Ao modelar solda, a deformação secundária, também chamada constante fluência estado (taxa de tensão constante), é muitas vezes a região de interesse para descrever o comportamento da solda em electrónica. Alguns modelos também incorporam fluência primária. Dois dos modelos mais populares são modelos seno hiperbólico desenvolvidos por Garofalo e Anand para caracterizar a fluência no estado estacionário de solda. Estes parâmetros do modelo são frequentemente incorporados como entradas em FEA simulações para caracterizar adequadamente a resposta de solda para carregamento.

modelos de fadiga

modelos de dano solda ter uma abordagem com base física de falha, relacionando um parâmetro físico que é uma medida crítica do processo de mecanismo de dano (por exemplo, gama de tensão elástica ou dissipada densidade de energia de deformação) de ciclos até à falha. A relação entre o parâmetro físico e ciclos para falha tipicamente assume uma lei de potência ou da relação de lei de potência modificado com materiais constantes modelo dependentes. Estas constantes modelo estão aptos a partir de ensaios experimentais e de simulação de diferentes ligas de solda. Para os regimes de carregamento complexo, a lei danos superposição linear de Miner é empregada para calcular os danos acumulados.

modelo de Coffin-Manson

O modelo de Coffin-Manson generalizada considera a gama de deformação elástica e plástica, incorporando a equação de Basquin e assume a forma:

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

Aqui Δε / 2 representa a gama de tensão cíclico elástico-plástico, E representa o módulo de elasticidade, σ _m representa significa o stress, e N _f representa ciclos para falha. As variáveis restantes, ou seja, σ _f , ε' _f , b , e c são coeficientes de fadiga e expoentes representam constantes modelo material. O modelo de Coffin-Manson generalizada representa os efeitos da fadiga alta ciclo (HCF), principalmente devido à deformação elástica e de fadiga de baixo ciclo (LCF), principalmente devido à deformação plástica.

modelo Engelmaier

Na década de 1980 Engelmaier proposto um modelo, em conjunto com o trabalho de selvagem, que foi responsável por algumas das limitações do modelo de Coffin-Manson, tais como os efeitos da frequência e temperatura. Seu modelo toma uma forma de lei de potência semelhante:

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

${\ Displaystyle c = -0.442-6 \ cdot 10 ^ {- 4} T_ {s} 1,74 \ cdot 10 ^ {- 2} \ ln (1 + f)}$

Engelmaier refere-se a deformação total de cisalhamento (Δγ) para ciclos para falha ( N _f ). ε' _f e c são constantes modelo onde c é uma função da temperatura média durante os ciclos térmicos ( T _s ) e frequência térmico cíclico ( f ).

${\ Displaystyle \ Delta \ gama = C ({\ frac {L_ {D}} {h_ {s}}}) \ Delta \ alfa \ Delta T}$

Δγ pode ser calculada como função da distância entre o ponto neutro ( L _D ) solda altura de junta ( H _s ), o coeficiente de expansão térmica (Δ ct ), e mudanças na temeprate (Δ T ). Neste caso C é empírica constante modelo.

Este modelo foi inicialmente proposto para dispositivos sem chumbo com solda de estanho-chumbo. O modelo já foi modificado por Engelmaier e outros para explicar outros fenômenos tais como componentes de chumbo, tempos de ciclismo de permanência térmicas, e chumbo soldas. Embora inicialmente uma melhoria substancial sobre outras técnicas para prever fadiga de solda, tais como testes e transforma aceleração simples, agora é geralmente reconhecido que Engelmaier e outros modelos que se baseiam na faixa de tensão não fornecem um grau suficiente de precisão.

modelo Darveaux

Darveaux proposto um modelo que relaciona a quantidade de média densidade de volume de trabalho não elástico, o número de ciclos para rachar iniciação, e a taxa de propagação da fissura para os ciclos característicos para falha.

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

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

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

Na primeira equação N ₀ representa o número de ciclos para rachar iniciação, AW representa densidade de trabalho inelástica, K ₁ e K ₂ são constantes modelo materiais. Na segunda equação, da / dN representa a taxa prorogation fenda, AW representa densidade de trabalho inelástica, K ₃ e K ₄ são constantes modelo materiais. Neste caso, a taxa de propagação da fissura é aproximada para ser constante. N _f representa os ciclos característicos para falha e a representa o comprimento da fissura característica. As constantes de modelo podem ser adequados para diferentes ligas de solda, usando uma combinação de teste experimental e análise de elemento finito de simulação (FEA).

O modelo Darveaux foi encontrado para ser relativamente precisas por vários autores. No entanto, devido à expertise, complexidade e recursos de simulação necessários, seu uso tem sido limitado principalmente para fabricantes de componentes avaliando embalagem componente. O modelo não recebeu aceitação no que se refere à fadiga solda modelagem em frente de uma montagem de circuito impresso inteira e verificou-se ser impreciso na previsão de efeitos ao nível do sistema (triaxialidade) para a fadiga da solda.

modelo Blattau

O modelo de fadiga solda atual preferido pela maioria dos eletrônicos OEMs em todo o mundo é o Blattau modelo, que está disponível no software Sherlock Automated análise de projetos . O modelo Blattau é uma evolução eficaz dos modelos anteriores discutidos acima. Blattau incorpora o uso de energia de deformação proposto por Darveaux, enquanto usando as equações de forma fechada com base em mecanismos clássicos para calcular a tensão e deformação a ser aplicada para a interconexão de solda. Um exemplo destes cálculos de tensão / deformação para um componente de chip sem chumbo simples é mostrada na seguinte equação:

${\ Displaystyle \ alfa _ {1} - \ alfa _ {2} \ cdot \ Delta T \ cdot L_ {D} = M \ cdot ({\ frac {L_ {D}} {E_ {1} A_ {1} }} + {\ frac {L_ {D}} {E_ {2} A_ {2}}} + {\ frac {h_ {s}} {A_ {s} G_ {s}}} + {\ frac {h_ {c}} {A_ {c} G_ {c}}} + ({\ frac {2- \ nu} {9G_ {b} um}}))}$

Aqui α é o CTE, T é a temperatura, G _D é a distância ao ponto neutro, E é o módulo de elasticidade, A é a área, h é a espessura, G é o módulo de cisalhamento, ν é o coeficiente de Poisson , e a é a borda comprimento da almofada de ligação de cobre. Os subscritos referem-se a um componente, dois e b referem-se à placa, e s referem-se a junta de solda. A tensão de corte (Δτ) é então calculado dividindo-se esta força calculada pela solda área conjunta eficaz. Energia de deformação é calculado usando a gama de forças de cisalhamento e tensão de cisalhamento a partir da seguinte relação:

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

Isso aproxima a histerese loop para ser aproximadamente equilátero em forma. Blattau utiliza este valor de energia de deformação em conjunto com modelos desenvolvidos por Syed se relacionar energia de deformação dissipada a ciclos ao fracasso.

Outros modelos de fadiga

modelos baseados energia alcance pressão adicional e deformação foram propostos por vários outros.

Vibração mecânica e fadiga cíclica

Embora não seja tão prevalente quanto fadiga solda termomecânica, fadiga vibração e fadiga mecânica cíclico são também conhecidos por causar falhas de solda. Fadiga vibração é normalmente considerado como sendo a fadiga ciclo alta (HCF) com danos impulsionado por deformação elástica e deformação, por vezes de plástico. Isso pode depender da excitação de entrada tanto para harmônica e vibração aleatória . Steinberg desenvolveu um modelo de vibração para prever o tempo de falha baseado no deslocamento bordo calculado. Este modelo leva em consideração o perfil de vibração de entrada, como a densidade espectral de potência ou a história tempo de aceleração, a freqüência natural do cartão do circuito, ea transmissibilidade. Blattau desenvolvido um modelo Steinberg modificado que utiliza estirpes nível da placa, em vez de deslocamento e tem sensibilidade para tipos de pacotes individuais.

Além disso, a ciclagem mecânica, baixa temperatura isotérmica é tipicamente modelado com uma combinação de LCF e gama de tensão ou energia de deformação modelos HCF. A liga de solda, geometria da montagem e dos materiais, as condições de fronteira, e as condições de carga irá afectar quer danos por fadiga é dominado por elástica (AAC) ou de plástico de danos (LCF). A temperaturas mais baixas e taxas de deformação mais rápidos a fluência pode aproximadas para ser mínima e qualquer dano inelástica será dominada por plasticidade. Vários modelos de gama de tensão e energia de deformação têm sido empregadas neste tipo de caso, como o modelo de Coffin-Manson generalizada. Neste caso, muito trabalho tem sido feito para caracterizar as constantes do modelo de vários modelos de dano para diferentes ligas.

Languages

In other projects