La fatiga de la soldadura es la degradación mecánica de la soldadura debido a la deformación bajo cargas cíclicas. Esto a menudo puede ocurrir a niveles de tensión por debajo del límite elástico de la soldadura como resultado de fluctuaciones repetidas de temperatura, vibraciones mecánicas o cargas mecánicas . Las técnicas para evaluar el comportamiento de la fatiga de la soldadura incluyen análisis de elementos finitos y ecuaciones semi-analíticas de forma cerrada . [1]
Descripción general
La soldadura es una aleación de metal que se utiliza para formar interconexiones eléctricas, térmicas y mecánicas entre el componente y el sustrato de la placa de circuito impreso (PCB) en un ensamblaje electrónico. Aunque se sabe que otras formas de carga cíclica causan fatiga de la soldadura, se ha estimado que la mayor parte de las fallas electrónicas son provocadas termomecánicamente [2] debido a los ciclos de temperatura . [3] Bajo ciclos térmicos, se generan tensiones en la soldadura debido a desajustes del coeficiente de expansión térmica (CTE). Esto hace que las uniones de soldadura experimenten una deformación no recuperable a través de fluencia y plasticidad que se acumula y conduce a la degradación y eventual fractura .
Históricamente, las soldaduras de estaño y plomo eran aleaciones comunes utilizadas en la industria electrónica . Aunque todavía se utilizan en industrias y aplicaciones seleccionadas, las soldaduras sin plomo se han vuelto significativamente más populares debido a los requisitos reglamentarios de RoHS . Esta nueva tendencia aumentó la necesidad de comprender el comportamiento de las soldaduras sin plomo.
Se ha trabajado mucho para caracterizar el comportamiento de fluencia-fatiga de varias aleaciones de soldadura y desarrollar modelos predictivos de daños a la vida utilizando un enfoque de Física de Fallas . Estos modelos se utilizan a menudo cuando se trata de evaluar la confiabilidad de las juntas de soldadura. La vida a fatiga de una junta de soldadura depende de varios factores que incluyen: el tipo de aleación y la microestructura resultante , la geometría de la junta, las propiedades del material del componente, las propiedades del material del sustrato de PCB, las condiciones de carga y las condiciones de contorno del conjunto.
Fatiga termomecánica de la soldadura
Durante la vida útil de un producto, este sufre fluctuaciones de temperatura debido a variaciones de temperatura específicas de la aplicación y el autocalentamiento debido a la disipación de potencia de los componentes . Los desajustes globales y locales del coeficiente de expansión térmica (CTE) entre el componente, los cables del componente, el sustrato de PCB y los efectos a nivel del sistema [4] impulsan las tensiones en las interconexiones (es decir, uniones soldadas). Los ciclos repetidos de temperatura eventualmente conducen a fatiga termomecánica.
Las características de deformación de varias aleaciones de soldadura se pueden describir a microescala debido a las diferencias en la composición y la microestructura resultante. Las diferencias de composición conducen a variaciones en la fase (s), tamaño de grano e intermetálicos . Esto afecta la susceptibilidad a los mecanismos de deformación como el movimiento de dislocación , la difusión y el deslizamiento de los límites del grano . Durante el ciclo térmico, la microestructura de la soldadura (granos / fases) tenderá a endurecerse [5] a medida que la energía se disipa de la unión. Esto eventualmente conduce a la iniciación y propagación de grietas que pueden describirse como daño por fatiga acumulada. [6]
El comportamiento a granel resultante de la soldadura se describe como viscoplástico (es decir, deformación inelástica dependiente de la velocidad) con sensibilidad a temperaturas elevadas. La mayoría de las soldaduras experimentan exposiciones a temperaturas cercanas a su temperatura de fusión (alta temperatura homóloga ) a lo largo de su vida útil, lo que las hace susceptibles a una fluencia significativa. Se han desarrollado varios modelos constitutivos para capturar las características de fluencia de las soldaduras de plomo y sin plomo. El comportamiento de fluencia se puede describir en tres etapas: fluencia primaria, secundaria y terciaria. Cuando se modela soldadura, la fluencia secundaria, también llamada fluencia en estado estable (tasa de deformación constante), es a menudo la región de interés para describir el comportamiento de la soldadura en electrónica. Algunos modelos también incorporan fluencia primaria. Dos de los modelos más populares son los modelos de seno hiperbólico desarrollados por Garofalo [7] y Anand [8] [9] para caracterizar el deslizamiento de la soldadura en estado estable. Estos parámetros del modelo a menudo se incorporan como entradas en las simulaciones FEA para caracterizar adecuadamente la respuesta de la soldadura a la carga.
Modelos de fatiga
Los modelos de daños por soldadura adoptan un enfoque basado en la física de la falla al relacionar un parámetro físico que es una medida crítica del proceso del mecanismo de daño (es decir, rango de deformación inelástica o densidad de energía de deformación disipada) con los ciclos hasta la falla. La relación entre el parámetro físico y los ciclos hasta la falla generalmente adquiere una ley de potencia o una relación de ley de potencia modificada con constantes del modelo dependientes del material. Estas constantes del modelo se ajustan a las pruebas experimentales y la simulación para diferentes aleaciones de soldadura. Para esquemas de carga complejos, se emplea la ley de daños por superposición lineal de Miner [10] para calcular el daño acumulado.
Modelo de ataúd-Manson
El modelo generalizado de Coffin-Manson [11] [12] [13] [14] considera el rango de deformación elástica y plástica incorporando la ecuación de Basquin [15] y toma la forma:
Aquí ∆ε ⁄ 2 representa el rango de deformación cíclica elástica-plástica, E representa el módulo elástico, σ m representa la tensión media y N f representa los ciclos hasta la falla. El resto de variables, a saber, σ f , ε' f , b , y c son coeficientes de fatiga y exponentes representan constantes de modelo de material. El modelo generalizado de Coffin-Manson explica los efectos de la fatiga de ciclo alto (HCF) principalmente debido a la deformación elástica y la fatiga de ciclo bajo (LCF) principalmente debido a la deformación plástica.
Modelo Engelmaier
En la década de 1980, Engelmaier propuso un modelo, [16] junto con el trabajo de Wild, [17] que explicaba algunas de las limitaciones del modelo de Coffin-Manson, como los efectos de la frecuencia y la temperatura. Su modelo adopta una forma de ley de potencia similar:
Engelmaier relaciona la deformación cortante total (∆γ) con los ciclos hasta la falla ( N f ). ε ' f y c son constantes del modelo donde c es una función de la temperatura media durante el ciclo térmico ( T s ) y la frecuencia del ciclo térmico ( f ).
∆γ se puede calcular en función de la distancia desde el punto neutro ( L D ), la altura de la junta de soldadura ( h s ), el coeficiente de expansión térmica (∆ α ) y el cambio de temperatura (Δ T ). En este caso C es la constante del modelo empírico.
Este modelo se propuso inicialmente para dispositivos sin plomo con soldadura de estaño-plomo. Desde entonces, el modelo ha sido modificado por Engelmaier y otros [ ¿quién? ] para tener en cuenta otros fenómenos como los componentes con plomo, los tiempos de permanencia de los ciclos térmicos y las soldaduras sin plomo. Aunque inicialmente una mejora sustancial sobre otras técnicas para predecir la fatiga de la soldadura, como las pruebas y las transformaciones de aceleración simple, ahora se reconoce generalmente [ cita requerida ] que Engelmaier y otros modelos que se basan en el rango de deformación no proporcionan un grado suficiente de precisión.
Modelo Darveaux
Darveaux [18] [19] propuso un modelo que relaciona la cantidad de densidad de trabajo inelástica promedio ponderada en volumen, el número de ciclos hasta el inicio de la fisura y la tasa de propagación de la fisura con los ciclos característicos hasta la falla.
En la primera ecuación, N 0 representa el número de ciclos para el inicio de la fisuración, ∆W representa la densidad de trabajo inelástica, K 1 y K 2 son las constantes del modelo de material. En la segunda ecuación, da / dN representa la tasa de prórroga de la fisura, ∆W representa la densidad de trabajo inelástica, K 3 y K 4 son las constantes del modelo de material. En este caso, se estima que la tasa de propagación de grietas es constante. N f representa los ciclos característicos hasta la falla y a representa la longitud característica de la fisura. Las constantes del modelo se pueden ajustar para diferentes aleaciones de soldadura mediante una combinación de pruebas experimentales y simulación de análisis de elementos finitos (FEA).
Varios autores han encontrado que el modelo de Darveaux es relativamente preciso. [20] [21] Sin embargo, debido a la experiencia, la complejidad y los recursos de simulación requeridos, su uso se ha limitado principalmente a los fabricantes de componentes que evalúan el embalaje de los componentes. El modelo no ha recibido aceptación en lo que respecta al modelado de la fatiga de la soldadura en todo un conjunto de circuito impreso y se ha descubierto que es inexacto para predecir los efectos a nivel del sistema (triaxialidad) sobre la fatiga de la soldadura. [22]
Modelo Blattau
El modelo actual de fatiga de las juntas de soldadura preferido por la mayoría de los fabricantes de equipos originales electrónicos en todo el mundo [ cita requerida ] es el modelo Blattau , que está disponible en el software Sherlock Automated Design Analysis . El modelo Blattau es una evolución [ cita requerida ] de los modelos anteriores discutidos anteriormente. Blattau incorpora el uso de la energía de deformación propuesta por Darveaux, mientras utiliza ecuaciones de forma cerrada basadas en la mecánica clásica para calcular la tensión y la deformación que se aplican a la interconexión de soldadura. [23] En la siguiente ecuación se muestra un ejemplo de estos cálculos de tensión / deformación para un componente de chip sin plomo simple:
Aquí α es el CTE, T es la temperatura, L D es la distancia al punto neutro, E es el módulo elástico, A es el área, h es el espesor, G es el módulo de corte, ν es la relación de Poisson y a es el borde longitud de la almohadilla de unión de cobre. Los subíndices 1 se refieren al componente, 2 y b se refieren a la placa y s se refieren a la unión soldada. El esfuerzo cortante (∆τ) se calcula dividiendo esta fuerza calculada por el área efectiva de la junta de soldadura. La energía de deformación se calcula utilizando el rango de deformación cortante y el esfuerzo cortante de la siguiente relación:
Esto se aproxima a que el bucle de histéresis tenga una forma aproximadamente equilátera. Blattau utiliza este valor de energía de deformación junto con modelos desarrollados por Syed [24] para relacionar la energía de deformación disipada con los ciclos de falla.
Otros modelos de fatiga
El modelo Norris-Landzberg es un modelo Coffin-Manson modificado. [25] [26]
Varios otros han propuesto modelos adicionales basados en el rango de deformación y la energía de deformación. [24] [27] [28]
Vibración y fatiga mecánica cíclica
Si bien no es tan frecuente como la fatiga termomecánica de la soldadura, también se sabe que la fatiga por vibración y la fatiga mecánica cíclica causan fallas en la soldadura. La fatiga por vibración generalmente se considera fatiga de ciclo alto (HCF) con daño provocado por deformación elástica y, a veces, deformación plástica. Esto puede depender de la excitación de entrada para vibraciones armónicas y aleatorias . Steinberg [29] desarrolló un modelo de vibración para predecir el tiempo de falla basado en el desplazamiento calculado de la placa. Este modelo tiene en cuenta el perfil de vibración de entrada, como la densidad espectral de potencia o el historial del tiempo de aceleración, la frecuencia natural de la tarjeta de circuito y la transmisibilidad. Blattau desarrolló un modelo Steinberg modificado [30] que utiliza deformaciones a nivel de placa en lugar de desplazamiento y tiene sensibilidad a los tipos de paquetes individuales.
Además, el ciclo mecánico isotérmico de baja temperatura se modela típicamente con una combinación de rango de deformación LCF y HCF o modelos de energía de deformación. La aleación de soldadura, la geometría y los materiales del ensamblaje, las condiciones de contorno y las condiciones de carga afectarán si el daño por fatiga está dominado por el daño elástico (HCF) o plástico (LCF). A temperaturas más bajas y velocidades de deformación más rápidas, la fluencia puede aproximarse a ser mínima y cualquier daño inelástico estará dominado por la plasticidad. En este tipo de caso se han empleado varios modelos de rango de deformación y energía de deformación, como el modelo Generalized Coffin-Manson. En este caso, se ha trabajado mucho para caracterizar las constantes del modelo de varios modelos de daño para diferentes aleaciones.
Ver también
- Junta de soldadura fría
- Fluencia (deformación)
- Fatiga (material)
- Plasticidad (física)
- Encapsulado (electrónica)
- Fatiga por vibración
Referencias
- ^ Serebreni, M., Blattau, N., Sharon, G., Hillman, C., Mccluskey, P. "Modelo de vida de fatiga semi-analítica para evaluación de confiabilidad de juntas de soldadura en paquetes qfn bajo ciclos térmicos". SMTA ICSR, 2017. Toronto, ON, https://www.researchgate.net/publication/317569529_SEMI-ANALYTICAL_FATIGUE_LIFE_MODEL_FOR_RELIABILITY_ASSESSMENT_OF_SOLDER_JOINTS_IN_QFN_PACKAGES_UNDER_THERMAL_CFN
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Otras lecturas
- https://code541.gsfc.nasa.gov/publications Materiales TIP (artículos de información técnica) (en espera a partir de julio de 2020)
- https://web.archive.org/web/20161227021306/https://code541.gsfc.nasa.gov/Uploads_materials_tips_PDFs/TIP%20090R.pdf Rama de ingeniería de materiales TIP * No. 090 Grietas por fatiga en juntas de soldadura, Carl L. Haehner, 1987, 2003. (copia archivada)
enlaces externos
- Calculadoras de fatiga de juntas de soldadura