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电路板焊点损坏和温度升高解决方案
电路板设计因选择不当或组装工艺不正确而过早损坏。除组件故障外，焊点故障也是产品故障的已知原因。如果关键电路上的一个焊点损坏，那么肯定会有更多。
为什么焊点损坏，如何防止损坏？有几种众所周知的原因导致焊点在运行过程中发生故障。其中一些仅与错误选择焊料，在极端温度下运行或热机械故障有关。如果在设计过程的早期使用焊点可靠性仿真，则可以确定哪些焊点由于热应力而更容易发生故障。
电路板焊点损坏的原因
造成电路板焊点故障的常见原因有很多，本质上可以是机械的或热的。以下是一些已知的焊点损坏的常见原因：
弱焊接/冷接头
可能在不正确的温度下形成焊点，导致液相线和低共熔物混合不充分。结果，关节根本没有足够的强度来承受甚至很小的应力，最终导致关节断裂。还有其他一些焊锡缺陷会降低焊点的强度。
腐蚀
有许多腐蚀源可以氧化PCB中的焊料和附近的导体。过多的湿气和冷凝水会引起电化学反应，从而驱动氧化物积聚，从而导致接头强度降低。尽管助焊剂旨在抵抗氧化，但助焊剂中残留的残余物会在操作过程中腐蚀。
反复的机械过应力
就像任何其他机械元素一样，过度的应力会引起疲劳并导致机械故障。机械循环和冲击可能仅由于过度变形而导致焊点损坏。
热循环下的疲劳损坏
在极端温度值之间循环时，焊点和PCB基板会膨胀，应力会累积在焊点中。当焊点达到其焊化温度以上时，膨胀会更大。应力累积会导致微观裂纹在焊料中传播。最终，这些裂缝会合并并导致部分或全部断裂。更多易延展的焊料（即铟含量）可以承受这种类型的故障。
热冲击损坏
加热得太快时，您是否见过一块玻璃碎片？当焊点很快达到极限温度时，这种情况也会在弱焊点中发生。发生这种情况时，焊点开始迅速膨胀，以至于无法保持机械结合，结果焊点破裂。
评估以上两点需要直接模拟随时间推移以及处于稳态的关节温度。温度可以直接使用现场求解器确定，也可以在电路仿真中确定。
电路元件的焊点可靠性仿真
在电路仿真中，有两种方法可以确定焊点的温度：
1.使用元件的结温作为焊点温度的代表。
2.在仿真中包括焊点作为寄生元件。
第一种方法很好地解决了MOSFET，高频处理器和电力电子器件等组件的大量散热问题。几乎所有热量都将在组件本身中产生，然后再传导到附近的焊点中。在稳定状态下，焊点温度将非常接近组件温度。这意味着您可以使用一组经过验证的组件模型来确定焊点温度。
没有金属能完美导电，焊点也是如此。焊点有效地充当了寄生电阻的来源，并且在操作过程中焊点中散发的热量增加了其温度。组件上的焊点也可以作为组件的输入和输出引脚上的非常小的电阻器包含在内。除了从组件温度推断接头温度之外，标准的直流扫描或信号源还可用于检查接头本身的温度升高。
重要的热和电参数的变化使这种方法变得困难。以下是一些重要的材料属性，可用于电路仿真和后续计算：
接触电阻：虽然取决于接头的几何形状和材料成分，但通常在mOhm范围内。
温度系数：这定义了每W焊点散发的热量的温度变化。没有温度系数值，因为这取决于接头的几何形状，材料成分以及周围的基板/组件导热率。
热膨胀系数（CTE）：它不直接包含在仿真中，但是在已知温度升高后确定接头膨胀时才需要使用。确切的值将取决于焊点组成和材料的玻璃化转变温度。
像这样的简单电路仿真不会考虑PCB基板的导热性，因此在电路仿真中不能考虑热量从焊锡球传走。这就是为什么直接模拟封装温度对于确定焊点温度上限更有用的原因。然后，可以将在这些模拟中计算出的接头和元件结点温度与市售焊料的典型〜250°F上限相比较。
更多用于焊接可靠性分析的工具
在电路仿真中，目标是在时域和达到稳态时将元件温度与所需的降额值进行比较。热冲击和热应力是瞬态现象，可以通过SPICE仿真进行检查。随着时间的流逝，这可能需要一些手动编程，但是这些模拟器可以直接从组件模型中获取参数数据来确定温度变化。
在稳态下，您需要确定焊点的平衡温度，并使用烟雾分析将其与所需的降额值进行比较。要确定准确的降额，需要权衡组件温度，板温度和板热膨胀之间的诸多权衡。
3D多物理场求解器是一种功能更强大，但计算量更大的，用于焊点可靠性仿真的工具。这使您可以直接检查焊点中的热量和应力累积，而不必从组件温度推断出焊点行为。这是一个更强大的解决方案，但并非在每种设计情况下都需要。