焊點失效的案例
【論文解讀】焊點力學模型失效參數獲取試驗-碰撞安全
焊點作為連接鈑金件的重要組成，碰撞中隨著鈑金件的變形，焊點受到的并不是單一載荷的作用，而是一種復合載荷，包括拉伸力、剪切力、剝離彎矩和平面扭矩，如圖1 所示。這些載荷的綜合作用會導致焊點連接功能或承載功能的失效。
圖1 焊點受力示意圖
根據焊點的實際受力情況，將復合載荷的作用分解為多個單向載荷的組合作用，構建基于力的焊點失效準則:
根據對失效準則中參數的分析，基于力的焊點失效判據將單個焊點的復合受力模式分解為拉伸力、剪切力、剝離彎矩和平面扭矩。不同的載荷類型選用對應試驗方式，通過十字拉伸試驗獲得焊點的軸向最大失效力，一字剪切試驗獲得焊點的切向最大失效力，折邊剝離試驗獲得最大剝離彎矩，扭轉試驗獲得最大平面扭矩，各試驗方式如圖2 所示。本文中選取1. 6mm 厚的U1500 熱成型鋼板與1. 0mm 厚的B250P1 的搭接組合作為失效判據有效性的研究對象，根據不同的工況對該搭接組合進行力學性能試驗，所獲得的焊點失效參數如表1所示。
圖2 焊點力學性能試驗
通過在CAE 模型中對焊點添加失效判據，解決了汽車碰撞有限元模擬中難以準確預測焊點失效的問題。基于焊點力學性能試驗獲取的焊點失效參數建立焊點失效判據; 通過多焊點部件的仿真與試驗對比，驗證了焊點失效判據的有效性。結果表明，添加焊點失效判據能反映真實的焊點受力和失效情況。
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幾個關鍵點：如何定義彈塑性材料MAT24（材料曲線）、剛性體材料MAT20，如何定義壓頭與箱體的接觸，如何定義箱體與剛性墻的自接觸，如何定義壓頭的約束及加載尤其是創建壓頭的位移加載，如何創建CRB連接（螺栓連接中常用的連接方式），如何創建MAT100焊點（焊點失效）。
擠壓模擬（有焊點失效）
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頂部右側焊點3701（有焊點失效）軸向力、剪切力
擠壓模擬（無焊點失效）
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頂部右側焊點3701（無焊點失效）軸向力、剪切力
本案例僅提供模型文件結果文件及相關指導，凡購買的朋友針對本案例仿真實現上有什么疑問可以私信。更多知識點、注意點、對比分析見收費部分。
展開 【論文解讀】汽車一維焊點失效模擬-碰撞安全
對焊點的數量進行優化， 增加了 5 個焊點后， 如圖 8( 右) ，仿真結果顯示碰撞后結構保持完整， 能夠滿足碰撞安全要求。焊點失效參數數據庫建設到一定規模后， 即可在整車范圍的焊點模型使用經過試驗標定的失效參數，在開發過程中不斷優化存在碰撞失效風險的焊點，模型的精確性能夠得到保證。
本論文研究了在轎車有限元碰撞仿真中準確模擬焊點失效的方法。對點焊樣件進行拉伸和剪切力學實驗，建立了試驗的一維焊點有限元模型和相應的失效模型，使用數值優化等方法，對焊點失效模型的參數進行了校核標定，使仿真中焊點的受力和失效后吸收的能量與試驗的偏差最小。應用此方法在仿真中再現并解決了某次碰撞試驗中出現的焊點開裂問題。提出了建立車身焊點失效參數數據庫的設想。
[1]連志斌,劉雍.基于試驗標定的轎車碰撞焊點失效模擬方法研究[J].上海汽車,2015(06):50-53.
大家好，為了更好地提升自己，幫助自己對最新研究進行整理和復盤，本人在學習相關文獻時會進行相關總結和分享，希望對大家有所幫助和啟發，有問題請及時反饋和聯系，謝謝！
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擠壓模擬（有焊點失效）
軸向力與剪切力（有焊點失效）
本案例僅提供模型文件結果文件及相關指導，凡購買的朋友針對本案例仿真實現上有什么疑問可以私信。更多知識點、注意點見收費部分。與11月3日發的案例《基于hyperworks＋lsdyna電池包擠壓之焊點失效模擬》的不同之處在于，本案例并不是根據軸向力或剪切力來定義失效。
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焊點失效的熱振耦合疲勞仿真分析
△圖2：影響微電子封裝可靠性的主要因素
4、 焊點失效的四種模式：
4.1 熱交變應力破壞失效
? 溫度變化
? 材料蠕變損傷
? 變形與裂紋擴展
4.2 疲勞破壞失效
?由振動載荷引起的高周疲勞失效
4.3 化學因素腐蝕破壞失效
? 水分、氧氣其他離子
? 化學反應腐蝕
? 粘結強度等機械性能降低
4.4 動態機械載荷破壞失效
? 跌落、沖擊和振動
? 開裂、脆裂等損傷
研究內容
△圖3：焊點熱耦合疲勞仿真分析內容
1、基本力學參數的獲取
? 調研焊點、焊腳的材料屬性
? 試驗獲取引腳、錫焊、錫焊界面（金屬化合物）的力學性能參數
? 擬合界面相（金屬化合物）材料的本構關系
2、疲勞數據庫的建立
? 通過疲勞試驗建立材料、界面相的疲勞特性曲線
? 建立單個焊點的有限元分析模型
? 加載循環載荷預測焊點的疲勞壽命與失效位置
? 通過與實驗比較，對有限元分析模型進行驗證
△圖4：不同封裝結構下無鉛SAC305焊點的S-N曲線
3、整機仿真模型
一般而言，在有限元模態分析中，系統的固有頻率會隨著網格密度的增加而降低至一個穩定的收斂值，為了找到合適的網格劃分密度，需要對其進行網格收斂性檢查。振動試驗載荷一般有正弦、窄帶隨機和寬帶隨機三種，PCB邊界條件有四角四點固支，端部四點固支，六點固支，中間四點固支以及中間兩點固支。
3.1 有限元模型建模
△圖5：焊點有限元建模
3.2 組件中各層材料參數設置
考慮到振動過程中焊點發生的一般是彈性形變，無需考慮材料的蠕變參數，各組分材料從上往下依次按照模塑料、封裝基板、Cu焊盤(Cu)、焊球(SAC305)、PCB板(FR-4)賦予。
展開 BGA焊點的失效分析及熱應力模擬
：焊點可靠性問題是發展球柵陣列（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ，ＢＧＡ）技術需解決的關鍵問題。本論文采用立體顯微鏡檢查、ｘ—ｒａｙ檢查、金相切片分析、ＳＥＭ、ＥＤＸ等方法詳細分析了失效ＢＧＡ焊點的微結構、裂紋情況、金屬間化合物、及空洞對可靠性的影響，得出引起焊點失效的主要原因。在此基礎上，采用ＡＮＳＹＳ有限元軟件，模擬分析了熱載荷作用下ＣＢＧＡ焊點的三維應力應變行為。研究了影響焊點（鼓形、柱形）熱應力應變分布的幾個因素（半徑、高度、間距），為在實際焊接過程中，對從焊點形態的角度控制焊點質量提供了理論依據。同時還研究了兩種典型無鉛焊球（Ｓｎ９５．５／Ａ９３．８／Ｃｕ０．７，Ｓｎ９６．５／Ａ９３．５）與含鉛焊料（Ｓｎ／３７Ｐｂ）的熱應力應變分布，并對結果作了分析比較。得出Ｓｎ９５．５／Ａ９３．８／Ｃｕ０．７焊點的ｖｏｎｍｉｓｅｓ等效應力應變最大值小于Ｓｎ９６．５／Ａ９３．５焊點與Ｓｎ／３７Ｐｂ焊點，為電子焊料無鉛化材料體系的選擇提供了理論依據
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展開 電路板焊點失效分析技術與案例
焊點的失效一方面來源于生產裝配中的焊接故障,如釬料橋連、虛焊、曼哈頓現象等;另一方面是在服役條件下,當環境溫度變化時,由于元器件與基板材料存在的熱膨脹系數差,在焊點內產生熱應力,應力的周期性變化會造成焊點的疲勞損傷,同時相對于服役環境的溫度,SnPb釬料的熔點較低,隨著時間的延續,產生明顯的粘性行為,導致焊點的變損傷。
無鉛電子封裝材料及其焊點可靠性研究進展
無鉛焊點的可靠性
隨著無鉛焊料應用的普及，無鉛焊料焊點的可靠性問題顯得尤為重要。美國AT&T的H Anthony Chan認為電子產品的失效主要來源于元件問題、設計不良和組裝過程。電子器件服役時，在環境溫度變化（或功率循環）時由于芯片與基板、元器件與印制電路板材料熱膨脹系數的差異，在焊點內產生熱應力而造成焊點的疲勞損傷；相對于服役的環境溫度，焊料自身熔點較低，隨著時間的延續，產生明顯的粘性行為而導致焊點的蠕變損傷。
無鉛焊點的可靠性評價
無鉛焊點的可靠性評價主要有熱循環疲勞試驗和機械等溫疲勞試驗。焊點失效的熱循環疲勞試驗壽命可在焊料溫度依存性和時間依存性的基礎上利用Weibull分布來估算。
由于熱循環疲勞耗時較長，又提出了機械等溫疲勞試驗。它是通過在恒定溫度下對焊接部位施加機械往返載荷，得到非線性應變振幅而完成熱疲勞強度的評價。熱疲勞壽命可根據Manson-Coffin方程來預測。在Manson-Coffin方程的基礎上，Solomon建立了基于等效塑性應變范圍的疲勞預測模式。
焊點的失效模式分析方法
焊點可靠性的失效模式分析方法有二種：破壞性分析和非破壞性分析。非破壞性通常用X光或超聲波來檢測焊點是否有孔洞，能方便地找出失效實際位置。但對裂紋造成的失效不容易分析。破壞性分析是通過斷面切片，利用掃描電子顯微鏡進行觀察和成分分析，找出失效機制。常用于界面金屬間化合物厚度的分析。
3． 無鉛焊點的缺陷
“錫須”問題
“錫須”指器件在長期儲存、使用過程中，在機械、溫度、環境等作用下會在高錫鍍層的表面生長出一些胡須狀晶體，其主要成分是錫。由于“錫須”可能連到其他線路引起嚴重的可靠性問題，而倍受業界的關注。錫須的成長因素很多，比較一至的看法是由于材料的晶格失配所引起的應力造成。目前僅日本制定了“錫須”試驗標準。
展開 熱沖壓成形的熱點分析
目前，該領域內相關問題的研究包括原材料中引起延遲斷裂的原子氫的含量及其測試方法；在確定原子氫的含量后，發生斷裂的零件中的應力值；對延遲斷裂失效模式的評價方法，發生失效的預測；材料的強韌性與延遲斷裂之間的關系；為避免發生延遲斷裂，在材料的冶金過程、熱成形工藝過程中，應該采取什么措施等。上海交大、中國汽研、華科大利用國家自然科學基金重點研發項目正在進行一些相關研究工作，希望有關結果能對以上問題的解決提供幫助。
熱成形零件的點焊
點焊工藝對低強度零件已有普遍應用，工藝也較成熟。對超高強度零件的點焊及其評價方法尚有待完善。常用的點焊評價方法是剪切拉伸和十字拉伸，評價點焊接頭在準靜態負荷模式下的焊點的質量和失效模式。對大量汽車碰撞后的高強度結構件點焊的焊點失效觀察表明，不少焊點是發生焊點拔出和紐扣的分離。通常情況下，焊接工藝的制定是以準靜態試驗結果為依據的。高強度鋼和超高強度鋼主要做結構件和車身安全件，它們在碰撞時的失效模式是在高應變速率下發生的，原用準靜態下對點焊質量的評價結果已不能表征在沖擊載荷模式下焊點的質量和失效抗力，為此東北大學和中國汽研研究了沖擊載荷下焊點的剪切和拉伸的失效吸能的評價方法和相關設備，結果表明在沖擊載荷下，如焊點的失效為紐扣分離、紐扣拔出、焊點的撕裂，三種失效模式的沖擊吸能分別為10J、8J和110J。不同的失效模式的沖擊吸能相差一個數量級，用沖擊下的焊點吸能和失效模式來確定點焊參數比準靜態下更能反映點焊的失效本質，有關這方面的問題尚待進一步深入研究。
此外，激光切割的裝備和工藝技術的國產化也是熱成形重要的工序和國產化任務，目前已有單位取得了一些進展，但達到生產實用階段尚需進一步的工作。
以上就目前所了解的關于熱沖壓成形的熱點問題，進行了討論和分析，不少觀點僅系個人的看法。
展開 車身焊點的建模與檢查
焊點是車身鈑金件搭接的主要方式，關系到車身的整體和局部性能。因此，通過CAE手段，準確地模擬焊點形式至關重要。
下面以兩塊簡單的平板件來進行講解，如下圖所示：
1、焊點SpotWelds生成
進入焊點面板（1D→connector→spot）
選擇藍色板上A、B兩點，并component選擇兩塊板，type選擇acm_shell gap，其他選項按上圖設置
2、焊點檢查
焊點檢查工作往往被許多人忽略，有時候我們在建模過程中不經意間就生成了重復焊點、或者在板件同一位置多打了焊點（在處理子系統搭接時常遇到），這種重復焊點在實車上不會出現，而軟件計算時就會增加該處的剛度，導致計算結果失真、因此，有必要學會對焊點單元進行檢查。
以上述建立的模型為例，我們人為產生兩種問題狀態下的焊點建模結果，如下圖所示
步驟1：使所有焊點失效（connector面板下）
步驟2：使用quality檢查
可以調節tolerance的值控制preview兩焊點距離大小的范圍
找到重復的焊點，并刪除
步驟3：realize焊點，即使黃色connector變成綠色
展開 電子封裝中的回流焊仿真分析
基于CFD+結構分析軟件的熱固耦合分析
結合上述兩種方法的優缺點，直接采用流固耦合的方式，由CFD軟件計算溫度場，由結構分析軟件進行應力應變場、焊點失效分析和PCB板翹曲分析。采用此種方式能夠獲得最準確的結果，但是不僅需要兩種軟件，而且同樣面臨著CFD軟件計算溫度場分布時計算量過大的問題。
基于CFD+結構分析軟件的協同分析
這種方式雖然同樣需要CFD軟件和結構分析軟件，但是，采用CFD軟件主要用于計算結構表面的對流換熱系數，將計算得到的隨溫度變化的對流換熱系數傳遞給結構分析軟件，在結構分析軟件中計算溫度場和應力應變場，從而既能避免采用CFD軟件計算溫度場計算量過大的問題，又能保證溫度場計算的精度。
回流焊仿真分析中的關鍵技術點
焊點本構模型
焊點的壽命預測一直是焊點可靠性問題的重要內容。目前，已發展了多種形式的粘塑性本構模型，其中比較有代表性的有：Miller 模型、 Bodncr-Partom 模型、Anand 模型。Anand本構方程同時描述塑性和蠕變形變時準確可靠，并且在 ANSYS中可以方便地定義與調用。在ANSYS Workbench中可以方便地定義 ANAND本構模型的材料參數， ANAND本構模型的相關參數一共有九個：
翹曲變形計算
在計算PCB板的翹曲變形時，由于翹曲變形主要反映在相對變形上，而且也存在一些局部效應，采用通常的變形云圖來直接查看翹曲并不方便。基于路徑的計算結果可以直接給出沿某條線上計算得到的變形結果，而且可以直接繪制變形結果隨路徑距離的變化曲線，非常適用于查看PCB板的翹曲。
展開 
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負責Digimat的技術支持工作，在復合材料結構分析領域工程經驗豐富，支持及參與的項目涵蓋：復合材料結構失效分析、CFRP結構固化回彈評估、注塑件沖擊失效、NVH分析等。
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