I 5 principali motivi per il fallimento del giunto di saldatura

L'affidabilità del giunto di saldatura è spesso un punto dolente nella progettazione di un sistema elettronico. Un'ampia varietà di fattori influisce sull'affidabilità del giunto di saldatura e ognuno di essi può ridurre drasticamente la durata del giunto. Identificare e mitigare correttamente le potenziali cause di guasto del giunto di saldatura durante il processo di progettazione e produzione può prevenire problemi costosi e difficili da risolvere in un secondo momento del ciclo di vita del prodotto. Alcuni dei fattori che contribuiscono al fallimento del giunto di saldatura più comunemente osservati da considerare sono descritti qui.

Scopri di più su come prevenire l'affaticamento della saldatura nei componenti elettronici nel blog Cause e Prevenzione dell'Affaticamento da Giuntura.

1. Sollecitazioni non intenzionali dovute a invasatura, sottoriempimenti e rivestimenti conformi

Ad esempio, se un assemblaggio è rivestito in immersione, il rivestimento scorrerà sotto componenti come array di griglie sferiche (BGA) e quad-flat no-leads (QFN). Il rivestimento si espanderà durante il ciclo termico e potrebbe «sollevare» il componente dalla scheda, aggiungendo tensioni di trazione ai giunti di saldatura.

Alcune condizioni di montaggio dei componenti e le tecniche di applicazione dell'invasamento/rivestimento possono creare sollecitazioni indesiderate sui giunti di saldatura dei componenti, come le sollecitazioni di trazione. A seconda delle proprietà del materiale dell'invasamento/rivestimento utilizzato, queste sollecitazioni possono essere abbastanza grandi da avere effetti drastici sulla durata dell'affaticamento del giunto di saldatura.

Le proprietà più importanti del materiale da considerare quando si specifica un invaso o un rivestimento sono la temperatura di transizione vetrosa, il modulo e il coefficiente di espansione termica, al di sopra e al di sotto della temperatura di transizione vetrosa. La temperatura di transizione vetrosa si riferisce alla temperatura alla quale un materiale passa da una consistenza dura/simile al vetro a una consistenza morbida/simile alla gomma.

Scopri di più sull'effetto di transizione vetrosa su invasature, rivestimenti e sottofondi nel blog Cause e Prevenzione dell'Affaticamento da Giuntura.

Un problema comune con l'invasatura è quando una temperatura di transizione vetrosa inaspettatamente elevata è associata a un materiale che non è stato completamente compreso durante il processo di progettazione del prodotto. In alcuni polimeri utilizzati nell'invasatura elettronica, il modulo elastico può aumentare di un fattore 20 quando il materiale si raffredda al di sotto della sua temperatura di transizione vetrosa.

Se un ciclo termico si estende al di sotto della temperatura di transizione vetrosa di un tale materiale, le sollecitazioni e le conseguenti tensioni di scorrimento subite dalla saldatura durante la sosta a freddo saranno elevate e dannose. Questo effetto può ridurre drasticamente la durata dell'affaticamento.

Gli esempi qui menzionati sono solo alcune delle condizioni di carico complesse e dannose che possono derivare dalla mancata comprensione delle proprietà termiche e meccaniche del materiale di un invasamento, rivestimento o sottofondo.

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2. Estremi di ciclismo con temperature inaspettate

Un'altra causa comune di guasto imprevisto del giunto di saldatura è la caratterizzazione errata dei parametri del ciclo di temperatura sperimentati dal sistema elettronico. Ad esempio, cicli di accensione/spegnimento, esposizione alla luce solare diretta, viaggi tra climi diversi e molte altre fonti possono aggiungere fluttuazioni di temperatura impreviste a un assemblaggio di circuiti stampati (PCBA) o a un componente.

Per generare le metriche di affidabilità più accurate di un sistema elettronico, è necessaria una caratterizzazione dettagliata del ciclo di temperatura che sperimenterà prima di eseguire simulazioni di analisi agli elementi finiti (FEA) o qualifiche fisiche del prodotto.

Il team Ansys Sherlock ha avuto successo nel generare previsioni sulla vita di affaticamento con il modello Blattau. Il modello è uno semi-empirico basato sull'energia che mostra come la durata dell'affaticamento dipende fortemente dall'intervallo di temperatura, dal tempo di permanenza e dalla velocità di rampa della temperatura. Se le rampe, le abitazioni, la temperatura massima e la temperatura minima non sono completamente comprese durante il processo di progettazione o collaudo, i fattori chiave che influiscono sull'affidabilità del prodotto possono essere trascurati.

Inoltre, se l'assemblaggio contiene invasatura o altri polimeri, il rischio di sperimentare i problemi di transizione vetrosa, sopra descritti, aumenta se le temperature massima e minima non sono determinate con precisione.

3. Eventi di sovraccarico meccanico

I guasti di sovraccarico meccanico si verificano quando un giunto di saldatura subisce un carico eccessivo durante un evento meccanico, come shock, caduta, test in-circuit, depanelizzazione della scheda, inserimento di connettori o inserimento PCBA.

I guasti da stress eccessivo possono essere difficili da prevenire perché spesso sono difficili da prevedere. La ricerca sugli shock test suggerisce che la soluzione migliore è una distribuzione casuale di tali guasti.

Una frattura lungo l'IMC

Il cedimento da sovratensione del giunto di saldatura si manifesta tipicamente come un cratere del cuscinetto o una frattura articolare lungo la connessione intermetallica (IMC). Un cratere a tampone è una fessura a forma di cratere nello strato laminato sotto il cuscinetto di rame di un giunto di saldatura. L'IMC è la regione in cui il tampone di rame e la lega di saldatura si combinano per formare Cu ₃ Sn o Cu ₆ Sn ₅. È la regione più fragile del giunto di saldatura, motivo per cui è l'area più suscettibile alle sollecitazioni eccessive.

Questo tipo di guasto si verifica in genere su componenti a passo più fine, principalmente BGA, o quando vengono utilizzati laminati particolarmente fragili. Il pad cratering è un problema serio perché spesso porta a trace fracture. A differenza delle cricche da affaticamento, che si verificano tipicamente attraverso la maggior porzione di un giunto di saldatura, quando i guasti meccanici da sovratensione si manifestano come fratture articolari, si verificano generalmente lungo l'IMC.

Poiché i guasti agli eventi meccanici possono dipendere fortemente dalle condizioni al contesto e dalle geometrie del PCB, la FEA è in genere consigliata per prevedere il rischio di sovratensione meccanica. Le condizioni di carico complesse o le forme delle tavole sono difficili da prevedere con altri metodi. Inoltre, la FEA consente la quantificazione della deformazione e della curvatura.

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4. Condizioni di sovravincolo PCBA

I vincoli riducono la conformità della scheda e creano deformazioni della scheda che possono causare cedimenti prematuri dei giunti di saldatura su componenti posizionati troppo vicini. Inoltre, la disposizione generale dei punti di montaggio influirà direttamente sulle probabili forme modali del PCBA.

Se queste forme modali non sono ben comprese, la scheda può essere progettata in modo da posizionare componenti sensibili in regioni di forte deformazione della scheda. FEA è un potente strumento di mitigazione per risolvere questo problema perché consente all'utente di iterare diverse condizioni di montaggio.

La specchiatura dei componenti è un'altra condizione di sovravincolo comune che può influire negativamente sulla durata del giunto di saldatura. Il mirroring si riferisce alla posizione di due componenti in posizioni simili su entrambi i lati di un PCBA.

Simulazione di una scheda di controllo e di una scheda speculare 

La specchiatura riduce la conformità del pacchetto del componente limitando il movimento della scheda, che crea sollecitazioni aggiuntive nei giunti di saldatura. La ricerca suggerisce che il mirroring dei componenti può ridurre la durata della fatica di un fattore 2 o 3.

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affidabilità del giunto di saldatura.

5. Difetti di saldatura

Tutte le strategie di mitigazione sopra menzionate non prevengono problemi di affidabilità del giunto di saldatura se la qualità del giunto di saldatura è scarsa. Per questo motivo, è indispensabile costruire PCB utilizzando un produttore rispettabile con un processo strettamente controllato.

Esiste un'ampia varietà di difetti dei giunti di saldatura che possono influire negativamente sull'affidabilità. Le sezioni trasversali e l'ispezione visiva dei giunti di saldatura devono essere eseguite prima che i PCBA raggiungano il campo per garantire il raggiungimento delle metriche di qualità della produzione.

IPC, l'Associazione Connecting Electronics Industries,  fornisce standard di produzione e criteri di accettabilità per tutti i tipi di giunti saldati. Sono generalmente considerati lo standard del settore per la creazione di giunti di saldatura di alta qualità.

Ansys Sherlock è un altro strumento utile per mitigare i guasti alle saldature. È una soluzione software di analisi del progetto automatizzata che offre una progettazione elettronica basata sulla fisica dell'affidabilità e sulla fisica del guasto (PoF). Per scoprire come può aiutare a prevedere l'affaticamento delle saldature, leggi Ansys Sherlock: Automated Design Analysis.

Oppure, guarda il webinar registrato: Introduzione all'analisi fisica dell'affidabilità.