焊點疲勞失效案例研究

汪思群

焊點的疲勞失效主要包括熱疲勞和機械疲勞，其中熱疲勞占主導(dǎo)因素。熱疲勞源于焊點在工作過程中所承受的熱循環(huán)負載、功率循環(huán)過程等，包含由于熱不匹配導(dǎo)致的等溫機械疲勞。研究表明，熱疲勞和等溫機械疲勞都是一種在疲勞和蠕變交互作用下的失效果過程。

一? 焊點疲勞失效機理

大多數(shù)焊點的失效機理是一種蠕變與疲勞損傷的復(fù)合積累損傷。宏觀上表現(xiàn)為熱疲勞損傷導(dǎo)致在遠離焊點中心區(qū)的焊料與基板過度區(qū)（即高壓力區(qū)）產(chǎn)生初始裂紋，然后逐漸沿焊料與基板界面擴展至整個焊點長度;微觀上表現(xiàn)為熱疲勞斷口表面有疲勞條紋的特征、晶界微孔洞和蠕變沿晶界斷裂的痕跡。焊點疲勞損傷的過程可以用圖1表示。

二? 引起疲勞的因素

產(chǎn)品在裝配完成后的運輸、使用過程中，焊點是可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，它承擔(dān)著熱學(xué)的、電氣的、及機械連接等多種作用，并且普遍都會收到準確性的機械應(yīng)力及蠕變應(yīng)力，尤其是在航天、航空、航海及車載等產(chǎn)品中更為明顯。這是如果設(shè)計不當(dāng)導(dǎo)致局部應(yīng)力過大，或者焊料合金在焊接過程中熔融擴散不良（冷焊、偏析），就更加容易發(fā)生疲勞失效，從而降低焊點的壽命。

三? 焊點疲勞失效案例

產(chǎn)品經(jīng)過高溫儲存和高低溫試驗后，陸續(xù)出現(xiàn)功能失效，失效電容都在放大管的輸出鏈路上，外觀可見電容局部燒損，如圖2

失效電容焊點的焊料中間都可見疲勞裂紋的蔓延（見圖3、圖4）;不論是否是失效位置，其它的焊點亦都存在焊料晶粒粗大的現(xiàn)象。失效樣品焊點中靠近端還存在較多的空洞，且焊料晶粒粗大，使得其在老化試驗過程中比正常焊點更快速地發(fā)生疲勞破壞而開裂;而當(dāng)開裂導(dǎo)致電氣連接處面積變小時，電阻變大產(chǎn)生大熱量而發(fā)生燒損失效。失效現(xiàn)象先發(fā)生在放大管的輸出鏈路上，是因為此處的電流較大，在老化試驗過程中受到的應(yīng)力更大;而其余的焊點同樣存在一定的失效風(fēng)險。

焊點經(jīng)模擬返工后，焊料晶粒狀態(tài)有明顯改善，顯現(xiàn)細小均勻的形貌，說明提高焊熱量能夠改善晶粒粗大的潛在缺陷。經(jīng)查焊接回流曲線中，峰值溫度約210℃，處于推薦值的下限，顯示原來的焊接工藝溫度低、時間長，說明焊接工藝曲線還有較大的優(yōu)化空間，見圖5

四 總結(jié)

（1）如果工藝條件不良，焊料合金在焊接過程中熔融容易擴散不均勻，稱為偏析。偏析使得焊點內(nèi)部的機械和物理性能發(fā)生改變，影響其工作效果和使用壽命;因此，在生產(chǎn)過程中必須防止合金在凝固的過程中發(fā)生偏析或金相組織不理想，才能夠有效增加焊點的固有可靠性或使用壽命。

（2）對于容易受到循環(huán)應(yīng)力的元器件焊點，應(yīng)從設(shè)計上充分考慮到應(yīng)力緩解方案。例如，固定好安裝孔、用適當(dāng)?shù)哪z填充懸空的元器件本體，也要充分考慮各類材料的線膨脹系數(shù)的匹配性。

（3）這些問題其實可以通過可靠性試驗來及早發(fā)現(xiàn)或暴露，然后采取針對性的整改措施來應(yīng)對。