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开关电源焊点疲劳寿命预测

发布时间:2021.08.07 14:24 浏览次数:311
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印制板上焊点在环境温度循环条件下的失效现象是导致开关电源装置失效的主要原因。针对焊点在温度循环下的失效行为,国内外学者进行的广泛的试验研究。通过巧妙的试验设计得到等温疲劳过程中焊点部位的应力-应变实时信息,但由于标准温度循环试验涉及的温度范围较大(按照美国军标为-55摄氏度到+125摄氏度),因此如果考察不同温度的影响,试验工作量是非常大的。
有限元数值仿真模拟方法是用于节省试验资源和指导试验设计的有效方法。相关的研究表明,温度循环载荷下焊点内部的应力-应变场分布具有动态特性而且与温度历程相关。因此正确评价温度循环历程不同阶段在焊点失效过程中所起的作用,确定出对焊点疲劳失效行为起主要作用的温度区间,将有助等温疲劳试验设计和节省试验资源。焊点失效是其内部力学条件和金属学条件共同作用的结果,而归根结底是力学条件作用的结果。
开关电源的生产过程来看,焊点是一种锡焊搭接接头,熔点较低。由于铜箔载体和玻璃纤维PCB基板之间存在热膨胀系数差,焊点工作环境的温度循环或者电源自身的功率循环将导致焊点内部产生热应力和热应变。应力的周期性变化会造成焊点的疲劳损伤,同时产生明显的黏性行为,导致焊点的蠕变损伤。在确定焊接工艺和设备的前提下,焊点可靠性问题主要是焊点在服役条件下的蠕变疲劳问题。研究表明,焊点的失效与材料的热膨胀系数匹配情况、焊点内部锡料的显微结构、空洞及金属间化合物的生长等密切相关。
国内外许多学者针对焊点疲劳寿命预测进行了大量研究,提出了多种寿命预测方法。这些方法主要有以塑性变形、蠕变变形、能量和断裂参量为基础等。其中以塑性变形为基础的寿命预测方法主要考虑与时间无关的塑性效应;以蠕变变形为基础的方法则是主要考虑与时间相关的效应;以能量为基础的寿命测试方法,考虑到了应力与应变的迟滞能量;以断裂参量为基础的破坏理论是以断裂力学为基础,计算裂纹的扩展及积累过程所造成的破坏效应。

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