焊点疲劳失效案例研究

汪思群

焊点的疲劳失效主要包括热疲劳和机械疲劳，其中热疲劳占主导因素。热疲劳源于焊点在工作过程中所承受的热循环负载、功率循环过程等，包含由于热不匹配导致的等温机械疲劳。研究表明，热疲劳和等温机械疲劳都是一种在疲劳和蠕变交互作用下的失效果过程。

一  焊点疲劳失效机理

大多数焊点的失效机理是一种蠕变与疲劳损伤的复合积累损伤。宏观上表现为热疲劳损伤导致在远离焊点中心区的焊料与基板过度区（即高压力区）产生初始裂纹，然后逐渐沿焊料与基板界面扩展至整个焊点长度;微观上表现为热疲劳断口表面有疲劳条纹的特征、晶界微孔洞和蠕变沿晶界断裂的痕迹。焊点疲劳损伤的过程可以用图1表示。

二  引起疲劳的因素

产品在装配完成后的运输、使用过程中，焊点是可靠性的薄弱环节，它承担着热学的、电气的、及机械连接等多种作用，并且普遍都会收到准确性的机械应力及蠕变应力，尤其是在航天、航空、航海及车载等产品中更为明显。这是如果设计不当导致局部应力过大，或者焊料合金在焊接过程中熔融扩散不良（冷焊、偏析），就更加容易发生疲劳失效，从而降低焊点的寿命。

三  焊点疲劳失效案例

产品经过高温储存和高低温试验后，陆续出现功能失效，失效电容都在放大管的输出链路上，外观可见电容局部烧损，如图2

失效电容焊点的焊料中间都可见疲劳裂纹的蔓延（见图3、图4）;不论是否是失效位置，其它的焊点亦都存在焊料晶粒粗大的现象。失效样品焊点中靠近端还存在较多的空洞，且焊料晶粒粗大，使得其在老化试验过程中比正常焊点更快速地发生疲劳破坏而开裂;而当开裂导致电气连接处面积变小时，电阻变大产生大热量而发生烧损失效。失效現象先发生在放大管的输出链路上，是因为此处的电流较大，在老化试验过程中受到的应力更大;而其余的焊点同样存在一定的失效风险。

焊点经模拟返工后，焊料晶粒状态有明显改善，显现细小均匀的形貌，说明提高焊热量能够改善晶粒粗大的潜在缺陷。经查焊接回流曲线中，峰值温度约210℃，处于推荐值的下限，显示原来的焊接工艺温度低、时间长，说明焊接工艺曲线还有较大的优化空间，见图5

四 总结

（1）如果工艺条件不良，焊料合金在焊接过程中熔融容易扩散不均匀，称为偏析。偏析使得焊点内部的机械和物理性能发生改变，影响其工作效果和使用寿命;因此，在生产过程中必须防止合金在凝固的过程中发生偏析或金相组织不理想，才能够有效增加焊点的固有可靠性或使用寿命。

（2）对于容易受到循环应力的元器件焊点，应从设计上充分考虑到应力缓解方案。例如，固定好安装孔、用适当的胶填充悬空的元器件本体，也要充分考虑各类材料的线膨胀系数的匹配性。

（3）这些问题其实可以通过可靠性试验来及早发现或暴露，然后采取针对性的整改措施来应对。