焊點疲勞簡介

焊點疲勞是循環載荷下焊點的失效。這種載荷可能有多種形式（例如跌落/震動，振動，溫度循環），其中電子設備中的大多數焊點疲勞是由熱-機械驅動的。在溫度循環期間，由于PCB和組件之間的熱膨脹系數（CTE）不匹配，在焊點中產生了應力。這導致焊點經歷不可恢復的變形，該變形累積并導致裂紋和最終斷裂。

目前對焊點疲勞進行計算，通常包括三種方法：

（1）基于應變范圍的經驗公式；

此方法直接通過經驗公式計算應變的變化范圍。其中的計算參數c需要由大量測試結果擬合而成，而且公式中不能考慮板級和系統級的影響。

（2）基于應變能的有限元分析；

此方法需要采用有限元的手段計算應變能。其計算的精度較高，但是對于板級問題來說，由于模型太大，采用有限元計算的時間花費較多，因此通常也很難考慮到板級和系統級的影響。

（3）基于應變能的經驗公式。

此方法兼顧了前面兩種方法的優點，通過經驗公式進行應變能的計算和焊點疲勞壽命的評估。Ansys Sherlock就是采用的這種方法，具體的算法和分析流程見下文。

Sherlock焊點疲勞算法

Sherlock在計算焊點疲勞時，通過失效物理的方式，采用基于應變能的經驗公式。具體的計算過程如下：

首先根據結構尺寸和材料參數計算得到載荷F：

再根據溫度變化范圍得到應變變化范圍：

然后計算應變能：

最后由應變能計算循環壽命：

在此計算過程中，需要輸入的結構和材料參數既可以手動輸入，也可以通過sherlock直接讀取ECAD文件獲取。

分析流程

分析模型直接從ECAD文檔讀取，包含多個odb文件，sherlock只需要直接讀取打包好的tgz格式文件即可。

圖 1 讀取tgz文件得到的部件列表

在Sherlock中直接定義熱環境，如下圖：

圖 2 熱環境定義

定義好熱環境之后，就可以直接進行焊點熱疲勞的分析了。如下設置焊點的材料（可以在材料庫直接選擇，也可以自定義）及熱循環事件，點擊運行即可。如下圖：

圖 3 焊點熱疲勞求解設置

點擊運行后，幾秒鐘，就可以得到計算結果。雙擊結果查看：

圖 4 焊點疲勞計算結果

從計算結果可以看到，焊點的個數、類型等等，以及循環一次產生的損傷及失效的循環次數。對于當前計算，焊點循環一次的損傷是0.0014，也就是熱循環711次之后，焊點就會失效。

結論

從以上計算分析發現，Sherlock在計算焊點疲勞時，采用了經驗公式，計算速度極快。因此，應用Sherlock，可以快速根據計算結果進行設計方案的調整，并即刻驗證改進效果。這樣可以大大縮短產品開發的時間，同時提升產品的可靠性。