大陆公司调查了焊料几何形状和电路板边界条件对焊料热疲劳的影响

介绍

热疲劳是表面贴装电子元件焊料失效的主要原因，特别是在航空航天、汽车和国防等高可靠性应用行业。对于像大陆汽车这样为这些行业设计和制造印刷电路板组件(PCBA)的公司来说，了解不同的设计如何影响焊料故障是至关重要的。必须对每个变量进行测试，以确定它对焊料疲劳的影响，从而确定电路板的可靠性。

大陆集团的目标是确定产生最低失效概率的焊料几何形状和边界条件。电路板的安装条件也有所不同，看看这会对焊料疲劳产生什么影响。Ansys夏洛克之所以选择对这些场景进行建模，是因为它能够准确地生成复杂几何形状的代表性模型，并提供基于可靠性物理的预测。

方法

大陆工程师将他们的基线模型导入夏洛克。这采用了来自ECAD设计人员的od++文件的形式。在几秒钟内，夏洛克就解释了这些数据，并建立了一个详细的PCBA模型。数据包含PCBA中的堆叠层，可以单独查看，也可以组合查看电路板的整体属性。Sherlock还将每个组件的位置、大小和属性填充到板上的所有数据中。为了确保最高水平的准确性，组件数据与Sherlock Parts Library(由Ansys为Continental建立的所有已知部件信息的存储库)中的验证数据进行了交叉检查。用最少的工程师的努力，一个功能基线板被建立，并准备进行设计研究和分析。

在三种不同的边界条件下，使用FR4 HDI(高密度互连)对电路板进行建模。条件一是一个独立的董事会。条件二是用TCA将板固定在5mm厚的铝板上。第三种情况与第二种情况类似，但1210电容器下面的区域在电路板和铝板之间没有任何材料。

每种配置都经历了1000次温度循环。通过定义生命周期条件，在Sherlock中直接创建了温度循环。用户可以通过交互式地指定保持、斜坡温度和时间来输入热剖面。

Sherlock通过使用零件列表轻松模拟不同的焊料厚度。这里列出了每个部件的属性，可以从库中修改或加载。大陆工程师直接在零件卡中为每个1210电容器编辑焊料厚度，以表示每个焊料几何形状。

同样，Sherlock也可以通过Ansys Sherlock Layer Viewer轻松建立不同安装条件的模型。大陆汽车的工程师在板的底部添加了一个安装垫，并将TCA层的材料属性添加到Sherlock材料管理器中，以确保它能够准确地表示，并可以在未来的项目中再次使用。在Sherlock中，铝基板的效果与安装垫一起被定义为底盘材料。这一步允许大陆工程师跳过对底板的物理建模，同时仍然保留其所有的机械效果。

在成功地对各种条件下的电路板进行建模后，大陆集团定义了其可靠性目标，并将其输入到电路板的生命周期中。

结果

焊料疲劳分析结果表明，焊料厚度对焊料失效概率有显著影响。它表明，与标称形状相比，球茎形状几乎不太可能失败。饥饿的焊料形状有超过三倍的可能性失败。

对电路板安装条件的影响进行热机械分析的结果表明，当完全粘附在铝基板上时，电路板失效的风险要大得多。在1210电容器下方的散热器中引入空隙，在1000小时内大幅减少了故障。部分约束和完全约束板的失效概率仍然高于无约束板。这表明，额外的刚性产生约束板是诱导较高的应变时，板受到温度循环从而加速了1210个焊点的失效。

重要发现

使用Ansys Sherlock，大陆集团能够确定产生最低故障概率的焊料几何形状和板边界条件。主要发现包括:

• 组件下的焊料厚度将决定其疲劳寿命，焊料越厚失效的概率越低。
• 当电路板附着在带有TCA材料的底板上时，故障的可能性急剧增加。
• 在1210电容器下方的散热片中有一个口袋，焊料疲劳寿命得到了改善，这表明电路板上的位置显著影响了失效概率。

好处

大陆集团在实验设计(DOE)阶段使用Ansys Sherlock来研究形状、厚度和安装条件对焊点失效的影响。有了Sherlock，大陆集团在几小时内就得到了结果，而如果他们制造和测试样本，则需要几周的时间。通过快速消除不可行的设计并允许更多时间优化最终解决方案，这大大节省了产品开发期间的时间。凭借Sherlock的故障预测能力，Continental不仅能够确定其产品在现场的表现，还能够确定其在整个生命周期中的可靠性。