電連接器激光軟釬焊焊點(diǎn)的熱疲勞壽命預(yù)測

黃　波，李迅波,2，曾　志,2，閆明明，李　俊，尹治宇

(1. 電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院　成都　611731;　2. 東莞成電精工自動化技術(shù)有限公司　廣東 東莞　523000; 3. 中國人民解放軍69048部隊(duì)　烏魯木齊　830000)

電連接器激光軟釬焊焊點(diǎn)的熱疲勞壽命預(yù)測

黃波1，李迅波1,2，曾志1,2，閆明明1，李俊3，尹治宇1

(1. 電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院成都611731;2. 東莞成電精工自動化技術(shù)有限公司廣東 東莞523000; 3. 中國人民解放軍69048部隊(duì)烏魯木齊830000)

通過建立Micro-USB電連接器有限元模型，采用Anand統(tǒng)一性本構(gòu)方程描述焊點(diǎn)在循環(huán)溫度載荷作用下的力學(xué)行為；借助ANSYS軟件分析模擬焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變分布和變化情況；運(yùn)用基于塑性應(yīng)變的Coffin-Manson方程，計(jì)算激光軟釬焊焊點(diǎn)在熱循環(huán)溫度作用下的熱疲勞壽命。結(jié)果表明，電連接器激光軟釬焊焊點(diǎn)在熱循環(huán)作用下，最大應(yīng)力應(yīng)變位于中間部位的焊點(diǎn)與金屬Pin相互接觸處，其疲勞壽命最低，為1 146次，從而確定易發(fā)生失效的危險部位。該結(jié)論可為電連接器的設(shè)計(jì)、制作和測試提供理論依據(jù)。

電連接器;疲勞壽命;有限元模擬;激光軟釬焊;應(yīng)力應(yīng)變;熱循環(huán)

隨著國內(nèi)外互連產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，作為各類電子系統(tǒng)中不可或缺的重要配套基礎(chǔ)元件——電連接器，已表現(xiàn)出向微型化、高密度、高速傳輸?shù)确较虻陌l(fā)展趨勢，其市場潛力巨大[1-2]。目前，電連接器在航天及軍用、通信、汽車、工業(yè)設(shè)備、電腦及其外設(shè)等幾大領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[3-4]。由于電連接器在系統(tǒng)中發(fā)揮著電路連接、信號傳遞的重要作用，一旦其發(fā)生故障必然會影響到連接設(shè)備甚至整個系統(tǒng)的正常工作。而電連接器內(nèi)部焊點(diǎn)又是影響電連接器自身可靠性的關(guān)鍵因素之一。由于采用傳統(tǒng)的手工錫焊、熱風(fēng)焊或自動烙鐵錫焊(hot bar)進(jìn)行電連接器焊接時，對導(dǎo)線的損傷將不可避免，且極易形成相鄰焊點(diǎn)的引線間發(fā)生“橋連”[5]。而激光軟釬焊工藝易于實(shí)現(xiàn)自動化控制，能夠滿足電連接器與引線進(jìn)行焊點(diǎn)互連的要求，使可焊精度達(dá)到微米級，從而極大地提高焊點(diǎn)的疲勞壽命[6-9]。在關(guān)于焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測的研究方面，文獻(xiàn)[10]結(jié)合有限元仿真對不同材料運(yùn)用一階、二階可靠性分析方法，重點(diǎn)研究了焊點(diǎn)失效模型的可靠性問題。文獻(xiàn)[11]利用激光超聲技術(shù)與有限元方法對焊點(diǎn)在熱循環(huán)加載條件下的可靠性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[12]采用有限元建模分析了三種不同焊料的疲勞壽命，得到了疲勞壽命與焊接熱界面厚度之間的變化關(guān)系。目前國內(nèi)外對電連接器焊點(diǎn)壽命預(yù)測的研究成果相對較少，因此，研究激光軟釬焊焊點(diǎn)疲勞壽命問題對提高整個電連接器的質(zhì)量與可靠性將具有重要的意義。

1　激光軟釬焊焊點(diǎn)壽命預(yù)測方法

本文在針對激光軟釬焊焊點(diǎn)進(jìn)行壽命預(yù)測時，主要是通過采用有限元方法確定激光軟釬焊焊點(diǎn)在溫度循環(huán)過程中的塑性應(yīng)變范圍，而以塑性應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)模型的壽命預(yù)測方法，即Coffin-Manson預(yù)測方法，可以通過解析法或有限元方法確定其塑性應(yīng)變變化范圍。因此，本文采用Coffin-Manson方法對焊點(diǎn)進(jìn)行熱疲勞壽命預(yù)測。

Coffin-Manson方程的表達(dá)式如下[13]：

式中，Nf為焊點(diǎn)的疲勞壽命；Δγ為等效非彈性剪應(yīng)變范圍；εf為疲勞韌性系數(shù)；C為疲勞韌性指數(shù)。Δγ與焊點(diǎn)在每個周期內(nèi)累計(jì)塑性應(yīng)變最大范圍之間具有如下關(guān)系[14]：

另外，疲勞韌性指數(shù)C可通過下式進(jìn)行計(jì)算[15]：

式中，Tmax、Tmin分別為選用標(biāo)準(zhǔn)的熱循環(huán)試驗(yàn)溫度的最大溫度值及最小溫度值。

確定參數(shù)fε、C后，再通過有限元方法，分析焊點(diǎn)在熱循環(huán)過程中塑性應(yīng)變的變化情況，得出最大塑性應(yīng)變范圍，并計(jì)算出Δγ。將已得到的各參數(shù)值代入式(1)，最終求出激光軟釬焊焊點(diǎn)的熱疲勞壽命。

2　激光軟釬焊與熱加速試驗(yàn)

本文采用了武漢楚天工業(yè)激光設(shè)備有限公司生產(chǎn)的Nd:YAG激光焊接機(jī)(JHM-1GX-400D)。在工藝參數(shù)激光頻率2 Hz、脈寬1.0～2.5 ms、離焦量0～1mm以及電流120～150 A下，得到的Micro-USB激光軟釬焊焊點(diǎn)經(jīng)抗拉強(qiáng)度測試，焊點(diǎn)所能承受的拉伸力高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20 N，證明了該激光軟釬焊工藝已具備可行性[17-18]。激光軟釬焊的工作情況如圖1a所示，通過利用高能量的激光脈沖對Micro-USB電連接器焊接區(qū)域進(jìn)行局部加熱，激光輻射的能量在極短的時間內(nèi)使被焊部位快速形成一個高度集中的熱源區(qū)，致使焊料熔化形成焊點(diǎn)，得到的Micro-USB試樣如圖1b所示。

圖1 電連接器激光軟釬焊試驗(yàn)

圖2 熱加速試驗(yàn)

依據(jù)美國軍方采用的MIL-STD-883標(biāo)準(zhǔn)，對電連接器進(jìn)行熱加速試驗(yàn)，如圖2所示。其中，tref表示25℃常溫時刻，有研究表明，在周期性加載條件下tref的選取對應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果無影響[19]。另外，t1、t2分別表示125℃高溫保溫開始與結(jié)束時刻；t3、t4分別表示?55℃低溫保溫開始與結(jié)束時刻。高、低溫階段的保溫時長均為600 s。

3　有限元仿真分析

3.1有限元模型

電連接器有限元模型中焊點(diǎn)采用Visco107單元，適合于粘塑性變化大的壽命分析；其他部分均采用Solid45單元，該單元適用于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析。電連接器封裝材料主要為硬橡膠和碳素鋼，金屬Pin為軋制純銅，導(dǎo)線為純銅，焊點(diǎn)材料為Sn3.5Ag0.75Cu，各部分材料屬性如表1所示。其中，Sn3.5Ag0.75Cu焊點(diǎn)的彈性模量和熱膨脹系數(shù)表達(dá)式可根據(jù)文獻(xiàn)[20]推導(dǎo)得出，兩者均是溫度(T/℃)的函數(shù)，隨著溫度的變化而發(fā)生改變。

表1 電連接器各部分材料屬性

圖3 Micro-USB及焊點(diǎn)有限元模型

焊點(diǎn)在隨溫度的周期性變化過程中將發(fā)生不同的粘塑性應(yīng)力應(yīng)變行為，為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對焊點(diǎn)部分網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，如圖3a所示。同時，依據(jù)實(shí)際工況，電連接器在插合工作狀態(tài)下保持固定不動，垂直方向(即Y方向)上無相對位移，塑封完好的導(dǎo)線之間同樣保持固定，因此，將同軸線纜末端及塑封外殼底面Y方向分別施加固定約束，其邊界條件如圖3b所示。

3.2本構(gòu)方程

Micro-USB電連接器軟釬焊焊點(diǎn)材料Sn3.5Ag 0.75Cu的熔點(diǎn)約為217℃[21]，而通常電子元件的工作溫度達(dá)到釬料熔點(diǎn)的0.5倍時，釬料將會表現(xiàn)為粘塑性。由于焊點(diǎn)受到循環(huán)溫度作用，其不僅表現(xiàn)為塑性變形，蠕變變形也伴隨發(fā)生。因此，采用Anand統(tǒng)一性方程可以很好地將二者結(jié)合起來考慮，能夠更好地描述焊點(diǎn)材料應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)行為。Anand方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[22]：

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 運(yùn)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)數(shù)資料以[例(%)]表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)；計(jì)量資料以表示，組間比較采用t檢驗(yàn)；方差齊性檢驗(yàn)采用F檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

式中，A為前冪指數(shù)因子；Q/R為激活能與玻爾茲曼常數(shù)之比；T為溫度；ξ為應(yīng)力因子；m為應(yīng)變敏感系數(shù)。

另外，形變阻抗演化方程表示如下[23]：

式中，h0為硬化/軟化系數(shù)；a為應(yīng)變指數(shù)；為飽和變形阻抗系數(shù)；n為變形率敏感系數(shù)。

式(5)～式(7)中各參數(shù)的具體數(shù)值如表2所示。將Anand方程作為描述Sn3.5Ag0.75Cu焊點(diǎn)的本構(gòu)關(guān)系模型，并結(jié)合有限元模擬方法，從而可對焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況進(jìn)行針對性分析。

表2 Anand本構(gòu)方程材料參數(shù)[24]

3.3焊點(diǎn)應(yīng)力分析

由于在熱循環(huán)作用下，焊點(diǎn)通常歷經(jīng)至第四循環(huán)時受力情況趨于穩(wěn)定[19]，因此針對在第四循環(huán)溫度變化時焊點(diǎn)的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示。需要說明的是，圖中各焊點(diǎn)上的圓孔位置是導(dǎo)線連入焊點(diǎn)內(nèi)所形成的，為便于觀察，未將導(dǎo)線在圖中進(jìn)行顯示。

圖4 各時刻焊點(diǎn)應(yīng)力云圖

低溫保溫階段，低溫保溫開始時刻t3及結(jié)束時刻t4時焊點(diǎn)的應(yīng)力分布情況分別如圖4c、圖4d所示。在圖4c中，等效應(yīng)力主要集中于焊點(diǎn)與金屬Pin相互連接處，焊點(diǎn)II應(yīng)力分布突出，其應(yīng)力范圍從底部兩端向底部中心匯聚，此時等效應(yīng)力達(dá)到整個循環(huán)過程中的最大值69.31 MPa。由于焊點(diǎn)經(jīng)歷了從高溫到低溫的溫度變化過程，使得焊點(diǎn)材料、金屬Pin材料之間熱膨脹系數(shù)失配明顯，因而造成焊點(diǎn)的應(yīng)力水平相對較高。圖4d中，由于低溫保溫作用使得焊點(diǎn)所受應(yīng)力出現(xiàn)松弛現(xiàn)象而逐漸下降。此刻等效應(yīng)力最大值為50.39 MPa。各焊點(diǎn)的外圍區(qū)域應(yīng)力較小，但焊點(diǎn)底部應(yīng)力分布范圍在進(jìn)一步擴(kuò)大，主要集中于焊點(diǎn)底部。

4　熱疲勞壽命預(yù)測

從應(yīng)力分析中得知，在熱循環(huán)載荷作用下焊點(diǎn)II出現(xiàn)應(yīng)力集中。因此，焊點(diǎn)II是可能發(fā)生失效的危險焊點(diǎn)，在該焊點(diǎn)與金屬Pin相互接觸的部位選取了6個不同的節(jié)點(diǎn)，已在圖3a中注明。選取這些節(jié)點(diǎn)的主要依據(jù)是由于在相同的條件下，不同焊點(diǎn)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)的塑形應(yīng)變不同，而這些節(jié)點(diǎn)均是位于焊點(diǎn)底部易發(fā)生塑形應(yīng)變且變化相對較大的區(qū)域內(nèi)。這些節(jié)點(diǎn)的塑形應(yīng)變情況如圖5所示。

圖5 不同節(jié)點(diǎn)塑性應(yīng)變情況

由于彈性應(yīng)變很小，起主導(dǎo)作用的主要是由塑性應(yīng)變引起。根據(jù)圖5的應(yīng)變結(jié)果得出各個節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變最大范圍后，利用式(2)計(jì)算出Δγ。疲勞韌性系數(shù)fε取0.325[25]。由式(3)和式(4)計(jì)算得到疲勞韌性指數(shù)C的值。再將以上各參數(shù)值代入式(1)，得出熱疲勞壽命的計(jì)算結(jié)果，如表3所示。

表3 不同節(jié)點(diǎn)處熱疲勞壽命計(jì)算值

從表3中節(jié)點(diǎn)的熱疲勞壽命計(jì)算結(jié)果可知，塑性應(yīng)變變化越大，壽命越短。節(jié)點(diǎn)①塑性應(yīng)變變化范圍最大，壽命計(jì)算值最低，因此，焊點(diǎn)將極易從該處開始萌生裂紋，并最終導(dǎo)致失效發(fā)生。

5　結(jié) 束 語

1)由于實(shí)際工作中通過試驗(yàn)的手段得到激光軟釬焊焊點(diǎn)的壽命存在較大的困難，因而采用ANSYS模擬分析得到焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，再結(jié)合Coffin-Manson公式進(jìn)行壽命估算。該方法對電子封裝軟釬焊焊點(diǎn)的疲勞壽命預(yù)測具有一定的理論指導(dǎo)意義。

2)由于受到應(yīng)力集中的影響，裂紋萌生的危險部位位于焊點(diǎn)II與金屬Pin相互接觸處，其最大等效應(yīng)力為69.31 MPa。

3)基于激光軟釬焊焊點(diǎn)危險部位的塑形應(yīng)變，針對不同節(jié)點(diǎn)運(yùn)用Coffin-Manson公式分別計(jì)算出了其在熱循環(huán)作用下的疲勞壽命值，裂紋萌生壽命為1 146次。由此可推斷出焊點(diǎn)將極易從該節(jié)點(diǎn)處萌生裂紋，經(jīng)擴(kuò)展后最終引起焊點(diǎn)失效。

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編輯黃莘

Thermal Fatigue Life Prediction for Laser Soldering Joints of Electrical Connectors

HUANG Bo1,LI Xun-bo1,2,ZENG Zhi1,2,YAN Ming-ming1,LI Jun3,and YIN Zhi-yu1
(1. School of Mechatronics Engineering,University of Electronic Science and Technology of ChinaChengdu611731; 2. Dongguan UESTC-Precision Automation Technology Co.,LtdDongguan Guangdong523000; 3. Troops 69048 of People's Liberation ArmyUrumchi830000)

Mechanical properties of Micro-USB electrical connectors is affected by instantaneous power on or off caused by hot-plugging. In order to further understand the failure behavior of electrical connectors under thermal cycling,it is necessary to carry out the fatigue life prediction for laser soldering joints of Micro-USB electrical connectors under heat acceleration test. Firstly,the finite element model of Micro-USB electrical connectors is established. The mechanical behavior of solder joints under cyclic thermal loading is described by using the Anand constitutive equation. Then,the stress or strain distribution is analyzed by means of ANSYS software. Finally,the thermal fatigue life under thermal cycling can be calculated by using the Coffin-Manson equation based on plastic strain. The results show that the maximum stress or strain occurs at the place of the middle solder joint contacting with metal Pin when laser soldering joints of electrical connectors are subjected to thermal cycling. Its fatigue life is lowest,only 1 146 times. Meanwhile,the risk of failure can be determined. The conclusions can provide a theoretical reference for the design,manufacture and testing of electrical connectors.

electrical connector;fatigue life;finite element simulation;laser soldering;stress-strain; thermal cycling

TG405; O346.2

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2016.06.026

2015 ? 06 ? 15；

2016 ? 03 ? 01

國家自然科學(xué)基金(51205047)；四川省科技計(jì)劃(2014GZ0149)；廣東省科技計(jì)劃(2014A010101033,2014A090906005)

黃波(1981 ? )，男，博士生，工程師，主要從事光機(jī)電一體技術(shù)、CAD/CAE等方面的研究.