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ANSYS BLOG

July 31, 2019

Les 5 principales raisons de la défaillance des joints de soudure

La fiabilité des joints de soudure est souvent un point sensible dans la conception d'un système électronique. De nombreux facteurs affectent la fiabilité des joints de soudure et chacun d'entre eux peut réduire considérablement leur durée de vie. L'identification et l'atténuation des causes potentielles de défaillance des joints de soudure au cours du processus de conception et de fabrication peuvent éviter des problèmes coûteux et difficiles à résoudre plus tard dans le cycle de vie d'un produit. Certains des facteurs de défaillance des joints de soudure les plus couramment observés sont décrits ici.

Pour en savoir plus sur la manière de prévenir la fatigue de la soudure dans les composants électroniques, consultez le blog sur les causes et la prévention de la fatigue de la soudure ( ).

1. Contraintes involontaires dues à l'empotage, aux sous-remplissages et aux revêtements conformes

Les matériaux d'enrobage, de revêtement, d'ancrage et autres encapsulants sont régulièrement utilisés dans l'industrie électronique pour se prémunir contre les conditions environnementales qui pourraient autrement endommager un assemblage. Cependant, ces matériaux polymères peuvent avoir des propriétés thermiques et mécaniques qui varient considérablement. Si les propriétés des matériaux de revêtement et d'empotage ne sont pas comprises pendant le processus de conception, elles peuvent créer des conditions de charge complexes qui affectent négativement la fiabilité des joints de soudure.


Lorsque l'enrobage se dilate, la boule de soudure subit une contrainte.

Par exemple, si un assemblage est revêtu par immersion, le revêtement s'écoulera sous des composants tels que les réseaux de billes (BGA) et les circuits imprimés à quatre pattes (QFN). Le revêtement se dilate pendant le cycle thermique et peut "soulever" le composant de la carte, ajoutant des contraintes de traction aux joints de soudure.

Certaines conditions de montage des composants et certaines techniques d'application de l'enrobage/du revêtement peuvent créer des contraintes indésirables sur les joints de soudure des composants - comme des contraintes de traction. Selon les propriétés du matériau de l'enrobage/du revêtement utilisé, ces contraintes peuvent être suffisamment importantes pour avoir des effets radicaux sur la durée de vie en fatigue des joints de soudure.

Les propriétés des matériaux les plus importantes à prendre en compte lors de la spécification d'un enrobage ou d'un revêtement sont la température de transition vitreuse, le module et le coefficient de dilatation thermique - au-dessus et au-dessous de la température de transition vitreuse. La température de transition vitreuse est la température à laquelle un matériau passe d'une consistance dure/verre à une consistance molle/caoutchouc.

Pour en savoir plus sur l'effet de la transition vitreuse sur les poteries, les revêtements et l'underfill, consultez le blog Solder Fatigue Causes and Prevention.

L'un des problèmes courants de l'encapsulation est qu'une température de transition vitreuse élevée et inattendue est associée à un matériau qui n'a pas été entièrement compris lors du processus de conception du produit. Dans certains polymères utilisés pour l'encapsulation électronique, le module d'élasticité peut augmenter d'un facteur 20 lorsque le matériau refroidit en dessous de sa température de transition vitreuse.

Si un cycle thermique se prolonge en dessous de la température de transition vitreuse d'un tel matériau, les contraintes et les déformations de fluage résultantes subies par la soudure pendant le séjour à froid seront élevées et dommageables. Cet effet peut réduire considérablement la durée de vie en fatigue.

Les exemples mentionnés ici ne sont que quelques-unes des conditions de charge complexes et préjudiciables qui peuvent résulter d'une mauvaise compréhension des propriétés thermiques et mécaniques des matériaux d'un enrobage, d'un revêtement ou d'un sous-remplissage.

Visionnez le webinaire ci-dessous pour en savoir plus sur les problèmes de fiabilité liés aux rempotages et aux revêtements.

Webinaire enregistré traitant des revêtements et des poteries.

 

2. Extrêmes inattendus du cycle de température

Une autre cause fréquente de défaillance inattendue des joints de soudure est la caractérisation incorrecte des paramètres de cycle de température subis par le système électronique. Par exemple, les cycles marche/arrêt, l'exposition à la lumière directe du soleil, les voyages entre différents climats et plusieurs autres sources peuvent ajouter des fluctuations de température inattendues à un assemblage de carte de circuit imprimé (PCBA) ou à un composant.

Pour générer les mesures de fiabilité les plus précises d'un système électronique, une caractérisation détaillée du cycle de température qu'il subira est nécessaire avant d'effectuer des simulations d'analyse par éléments finis (FEA) ou des qualifications de produits physiques.

L'équipe Ansys Sherlock a réussi à générer des prédictions de durée de vie en fatigue avec le modèle Blattau. Ce modèle est un modèle semi-empirique basé sur l'énergie qui montre que la durée de vie en fatigue dépend fortement de la plage de température, du temps de séjour et du taux de rampe de température. Si les rampes, les temps de séjour, la température maximale et la température minimale ne sont pas entièrement compris pendant le processus de conception ou d'essai, des facteurs clés qui affectent la fiabilité du produit peuvent être négligés.

De plus, si l'assemblage contient de l'enrobage ou d'autres polymères, le risque de rencontrer les problèmes de transition vitreuse, décrits ci-dessus, augmente si les températures maximale et minimale ne sont pas déterminées avec précision.

3. Événements de surcharge mécanique

Les défaillances dues à des contraintes mécaniques excessives se produisent lorsqu'un joint de soudure subit une charge excessive lors d'un événement mécanique - tel qu'un choc, une chute, un test en circuit, une dépanellisation de carte, une insertion de connecteur ou une insertion de PCBA.

Les défaillances dues à des surcharges peuvent être difficiles à prévenir car elles sont souvent difficiles à prévoir. La recherche sur les essais de chocs suggère que la meilleure solution est une distribution aléatoire de ces défaillances.

Une fracture le long de l'IMC

La défaillance d'un joint de soudure sous contrainte excessive se manifeste généralement par un cratère de plage ou une fracture du joint le long de la connexion intermétallique (IMC). Un cratère de plage est une fissure en forme de cratère dans la couche stratifiée située sous la plage de cuivre d'un joint de soudure. La CIM est la région où la plaquette de cuivre et la soudure se combinent pour former Cu3Sn ou Cu6Sn5. C'est la zone la plus fragile du joint de soudure, c'est pourquoi elle est la plus sensible aux contraintes excessives.

Ce type de défaillance est généralement observé sur les composants à pas plus fin - principalement les BGA - ou lorsque des stratifiés particulièrement fragiles sont utilisés. La cratérisation de la pastille est un problème grave car elle entraîne souvent des fractures de la trace. Contrairement aux fissures de fatigue, qui se produisent généralement dans la masse d'un joint de soudure, lorsque des défaillances dues à des contraintes mécaniques excessives se manifestent par des fractures du joint, elles se produisent généralement le long de l'IMC.

Comme les défaillances dues à des événements mécaniques peuvent dépendre fortement des conditions limites et des géométries des PCB, l'analyse par éléments finis est généralement recommandée pour prédire les risques de surcharge mécanique. Les conditions de chargement complexes ou les formes de cartes sont difficiles à prévoir avec d'autres méthodes. De plus, l'analyse par éléments finis permet de quantifier les déformations et les courbures.

Voici une excellente ressource qui traite de la manière de réduire les défaillances des assemblages électroniques dues aux chocs.

Webinaire enregistré traitant de la fiabilité garantie.
avec un choc mécanique.

 

4. Conditions de surcontrainte du PCBA

Les conditions de surcontrainte du PCBA, comprennent :

  • Mise en miroir des composants
  • Conditions de montage de la carte
  • Fixation aux boîtiers

Ce sont des caractéristiques de conception souvent négligées qui peuvent avoir des effets importants sur la durée de vie d'un joint de soudure.

Les points de montage et les autres contraintes de la carte ont un impact significatif sur l'ampleur et la localisation des déformations de la carte pendant la dilatation thermique, les chocs mécaniques et les vibrations.


Réflexion thermo-mécanique d'un circuit sous contraintes

Les contraintes réduisent la conformité de la carte et créent des tensions sur la carte qui peuvent provoquer des défaillances prématurées des joints de soudure sur les composants qui sont positionnés trop près. De plus, la disposition générale des points de montage affectera directement les formes de mode probables du PCBA.

Si ces formes de mode ne sont pas bien comprises, la carte peut être conçue d'une manière qui place les composants sensibles dans des régions de forte déformation de la carte. L'analyse par éléments finis est un outil d'atténuation puissant pour résoudre ce problème car elle permet à l'utilisateur d'itérer différentes conditions de montage.

Le miroir des composants est une autre condition courante de surcontrainte qui peut avoir un effet négatif sur la durée de vie des joints de soudure. La mise en miroir fait référence à la position de deux composants à des endroits similaires sur les deux côtés d'un PCBA.


Simulation d'une carte de contrôle et d'une carte miroir

La mise en miroir réduit la conformité de l'emballage du composant en limitant les mouvements de la carte, ce qui crée des contraintes supplémentaires dans les joints de soudure. Les recherches suggèrent que la mise en miroir des composants peut réduire la durée de vie en fatigue d'un facteur 2 ou 3.

Voici une excellente ressource qui traite des effets au niveau du système sur la fiabilité des joints de soudure.

Webinaire enregistré discutant des effets au niveau du système sur
fiabilité des joints de soudure.

5. Défauts de soudure

Toutes les stratégies d'atténuation mentionnées ci-dessus n'empêcheront pas les problèmes de fiabilité des joints de soudure si la qualité des joints de soudure est mauvaise. C'est pourquoi il est impératif de construire les PCBA en faisant appel à un fabricant réputé dont le processus est étroitement contrôlé.

Il existe une grande variété de défauts de joints de soudure qui peuvent affecter négativement la fiabilité. Des coupes transversales et une inspection visuelle des joints de soudure doivent être effectuées avant que les PCBA n'arrivent sur le terrain afin de garantir que les paramètres de qualité de fabrication sont atteints.

IPC, l'Association Connecting Electronics Industries, fournit des normes de fabrication et des critères d'acceptabilité pour tous les types de joints de soudure. Elles sont généralement considérées comme la norme industrielle pour la création de joints de soudure de haute qualité.

Ansys Sherlock est un autre outil utile pour atténuer les défaillances des soudures. Il s'agit d'une solution logicielle d'analyse de conception automatisée qui offre une conception électronique basée sur la physique de la fiabilité et la physique de la défaillance (PoF). Pour savoir comment il peut aider à prévoir la fatigue des soudures, lisez Ansys Sherlock : Analyse de conception automatisée.

Ou, visionnez le webinaire enregistré : Introduction à l'analyse physique de la fiabilité.

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