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热疲劳试验方法(一):温度循环

日期: 2021-08-14 点击: 871

       由于焊点通常需要面对温度变化的环境条件,比如日夜与季节导致的温度变化,使用与非使用状态的温度变化,位置改变导致的温度变化等,以及焊点的不同材料结合的结构特点,这些温度变化都会导致焊点材料的周期性蠕变,周期性的蠕变则最终会导致焊点疲劳失效,因此,要基于焊点的主要失效机理,首先选择温度循环试验来考核焊点的可靠性。这种通过加大应力来进行的加速试验的前提是,试验全过程不能改变焊点的失效机理。因此,在选择试验方案或条件的时候,必须考虑应力及其水平的设置。按照IPC9701A的标准给出的条件,温度循环的幅度分为五个等级,即TC1 ~TC5,低温区最低温度0~-55℃,高温区+100~ 125℃,优选的条件是温度循环在0 ~100℃,并且分别在最低和最高温度点处保持10min,升温或降温速率小于等于20℃/min,以保持加速状态的蜡变与实际情况一致。具体情况详见下表。

                                                                                                     温度循环试验要求与推荐的条件

      为了确保加速应力条件下的焊点的失效机理与实际使用中的情况保持一致,标准IPC9701A推荐温度循环的温度范围最好选择TC1,即0 ~ 100℃。这时候,高温阶段仍然处于典型的PCB的玻璃化温度之下,又不至于改变焊点的损伤机理。当然,在我们能够确认焊点损伤的失效机理不变的情况下,其他的大范围的TC也是可以选择的,并且可以缩短试验的时间。在试验时间的选择上,最好试验到板面63.2%的焊点失效为止,因为这个时候正好对应的是这批焊点的特征寿命,并且可以很好地绘出精度较高的威布尔分布图,求得相关的特征参数。如果试验到50%的焊点失效,这一点对应的时间恰好是这批焊点的平均寿命,这样也是可以接受的。当然,如果焊点的可靠性很好,要试验到使50%或63.2%的焊点失效可能需要很长的时间。这个时候也可以选择试验适当的循环周期数,进行指定周期的定时截尾试验。这是相对于点的可靠性水平,可以选择NTC-A的200次循环,也可以选择TC-E的6000次循环。对于大多数的循环温度范围而言。一般选择NTC-C水平的1000次来进行试验。温速率要控制在20℃ /min以内,1h完成一个循环。同时,该标准建议,为了便于监测焊点的失效状况,在相同工艺的前提下采用菊花链的测试结构来代替实际的PCBA。这样只要工艺与材料不B变,得到的可靠性就可以与实际的PCBA的基本一致。

值得注意的是,IPC9701A是2006年版的,该版本引用的温度循环的条件来自于JEDEC的标准JESD22-A104的B版本,而现在最新JESD22-A104的版本已经到了2009年的D版本了。现在简单地介绍一下该标准的最新情况:温度循环的条件已经修改为11种,分别为(单位为℃)A(-55~85)B(-55~125)、C(-65~150)、G(-40~125)、H(-55~150 )、I(-40~115)、J(0 ~100)、K(0~125 )、L(-55- 110)、M(-40~150)、N(-40~85)。最低温度允许的误差为(+0,- 10);最高的温度允许误差为(+10/15,-0)。另外,也将最低或最高温时的停留时间改成1min、5min、10min和15min共四种模式。而每个循环的时间长度从小于1h到3h不等,但是对于互连焊点,则推荐每个循环至少时长30min。

具体的试验方法可参考相关的标准。

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