温度循环与热冲击:焊点疲劳是怎么测出来的
一根条子在 85℃ 恒温下跑一千小时没问题,装到户外柜里半年就开始间歇性报错。原因往往不是温度高,是温度变。
膨胀系数不一样,就会互相拉扯
内存条上材料很多:FR4 板材、铜箔、锡银铜焊料、BGA 封装的塑封料、硅芯片。它们的热膨胀系数差别不小,硅大约 3 ppm/℃,FR4 在平面方向 14 到 18,焊料更高。
温度变化时各自伸缩幅度不同,界面上就产生剪切应力。一次没事,几千次之后焊点里的微裂纹逐渐扩展,最终形成断续接触。
表现出来是最讨厌的那种故障:时好时坏,冷了好或者热了好,拿下来复测正常。
温度循环的参数怎么定
几个关键量:
- 温度范围。工业级常用 -40℃ 到 85℃ 或 -40℃ 到 125℃,范围越宽应力越大;
- 升降温速率。一般在每分钟 10℃ 到 15℃ 之间,用风冷式箱体实现;
- 高低温保持时间。要保证产品内部真正达到设定温度,只看箱体温度会高估应力,厚器件的芯片温度滞后明显;
- 循环次数。几百次到几千次,按标准和寿命要求定。
做完之后不是看外观,要做电性能复测和必要的切片分析。裂纹在早期不影响功能,但已经开始了。
热冲击更严苛
热冲击把转换时间压到很短,通常用双箱体加提篮,产品在高低温两室之间快速转移,几十秒内完成温度跳变。应力集中程度远高于温度循环。
它更接近某些真实场景,比如冬天从室外把设备直接搬进供暖车间。但对多数商用产品来说过于严苛,主要用于车规和军工验证,或者作为工艺问题的快速筛查手段。
和恒温老化的分工
把它们放一起看比较清楚:
- 恒温高温老化:抓电学缺陷和早期失效,加速化学退化;
- 温度循环:抓机械疲劳和界面问题,加速焊点和过孔失效;
- 热冲击:温度循环的加速版,主要用来验证工艺极限。
三者不能互相替代。只做老化不做循环,装配工艺的问题会全部漏到客户端。
一个容易被忽略的细节
循环试验中如果产品是带电工作的,效果比不带电更接近真实使用。因为自身发热会叠加在环境温度上,芯片实际经历的温差比设定值更大。带电做循环对设备要求更高,但结果更可信。