锡膏焊点疲劳寿命模型

元器件的焊接一般需要用到锡膏作为连接相，锡膏在回流后会形成焊点。由于在元器件的日常使用中往往会受到各种各样的冲击，使得焊点处受到的应力不断累积。应力可以是多种形式的，比如热循坏导致的热应力和拉伸导致的机械应力。应力的积累会使焊点缓慢出现疲劳现象，这会对焊点的使用寿命带来负面影响。

疲劳寿命实验
正因为应力带来危害不可轻视，因此有必要加深了解锡膏焊料合金的疲劳行为。Hani等人采取加速疲劳实验来检验SAC305焊点在实际件下的疲劳寿命。他们使用了三种振动幅度(16MPa、20MPa和24MPa），测试温度25°C作为实验条件。在获得实验数据后进行威布尔分布分析。

                                                                 图1. 疲劳寿命测试器材。

实验结果

Hani等人将SAC305焊点疲劳寿命和温度的关系用以下公式联系了起来。公式陈述了当63%的测试样品出现疲劳失效时所需要的循环应力次数(N63)。公式适用性高，能用于分析各个温度下的疲劳寿命。P代表着应力振幅，R(t)代表着可靠性模型，T是温度。

 
图2显示了25℃下SAC305焊点在不同应力振幅循环下的威布尔概率图。可以清楚发现当应力振幅增加时，焊点的疲劳寿命减少。在找出特征疲劳寿命和循环应力振幅之间的关系后，可以对焊点的疲劳寿命进行建模（图3）。此外，根据疲劳寿命公式可以推断出，随着温度的上升，焊点受到应力增加，特征寿命会迅速变小。

                                                  图2. SAC305焊点在室温下受到不同负荷循环的威布尔概率图。

                                                 图3. 室温下的SAC305焊点应力-寿命模型。

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参考文献
Hani, D.B., Athamneh, R.A., Abueed, M. & Hamasha, S. (2023). Reliability modeling of the fatigue life of lead-free solder joints at different testing temperatures and load levels using the Arrhenius model. Scientific Reports, 13.

审核编辑 黄宇