PCB焊點(diǎn)在熱循環(huán)下的疲勞失效研究.pdf

1、PCB（Printed Circuit Board）印制電路板是各類電子產(chǎn)品的重要組成部分，對于電氣系統(tǒng)元器件的連接具有非常重要的作用。為確保PCB長期在各種環(huán)境下能穩(wěn)定可靠工作，需對PCB進(jìn)行高低溫循環(huán)沖擊試驗(yàn)，循環(huán)壽命達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才可投入生產(chǎn)。在測試過程中，由于高低溫交替循環(huán)變化，PCB隨之膨脹和收縮。而PCB一般由幾種不同材料組成，它們的熱膨脹系數(shù)也都有所差異，溫度變化時不同的膨脹和收縮程度會導(dǎo)致PCB內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)變。在大小和方

2、向都隨溫度變化的熱應(yīng)力作用下，焊點(diǎn)因疲勞導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展進(jìn)而斷裂，造成連接失效，試驗(yàn)測得循環(huán)次數(shù)即焊點(diǎn)的疲勞壽命。
　　本文針對PCB焊點(diǎn)在熱循環(huán)沖擊下的疲勞失效，用有限元仿真軟件對PCB在熱循環(huán)作用下的熱力學(xué)行為進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)考察了模型的溫度分布和應(yīng)力、應(yīng)變情況；對于應(yīng)力應(yīng)變集中的焊點(diǎn)，本文還利用修正的Coffin-Manson疲勞壽命預(yù)測方程對其進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測。結(jié)果表明，在各個循環(huán)中焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變趨勢基本一致，而應(yīng)力

3、應(yīng)變的積累主要是在升降溫階段；等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在降溫結(jié)束時，而等效應(yīng)變最大值出現(xiàn)在升溫保溫過程結(jié)束時；焊錫中應(yīng)力、應(yīng)變最大的部位是邊角焊點(diǎn)根部，因此它也是整塊焊錫中最有可能發(fā)生失效的部位。
　　由于熱循環(huán)沖擊試驗(yàn)中的溫度變化曲線對PCB的溫度分布及應(yīng)力應(yīng)變均有影響，因此本文對不同升降溫速率和保溫時間的情況進(jìn)行了比較分析。通過有限元分析得出結(jié)論，焊點(diǎn)的應(yīng)力隨著升降溫的速率增大而增大；而焊點(diǎn)的應(yīng)變隨著升降溫或保溫時間的增長而增大。由

4、于疲勞壽命是根據(jù)應(yīng)變計算，升降溫速率慢（即升降溫時間長）和保溫時間長的情況下焊點(diǎn)的應(yīng)變范圍大，故循環(huán)次數(shù)最少，但由于這兩種情況的周期長，計算得出的循環(huán)時間卻是最長的。
　　通過PCB的結(jié)構(gòu)改進(jìn)可以改善模型內(nèi)部的變形不協(xié)調(diào)，從而改善焊點(diǎn)在熱循環(huán)沖擊下的可靠性，因此本文提出了三種PCB結(jié)構(gòu)改進(jìn)模型，對改進(jìn)前后的模型施加同樣的溫度載荷，進(jìn)行有限元分析。計算結(jié)果表明，改進(jìn)模型的應(yīng)力應(yīng)變較未處理模型減小，焊點(diǎn)的剪切塑性應(yīng)變范圍也比未處理模型