Pět hlavních příčin selhání pájeného spoje

Americká společnost DfR Solutions, která se zabývá spolehlivostí elektroniky z pohledu jejího fyzického provedení, vydala na svém webu v sekci blogů příspěvek Top 5 Reasons for Solder Joint Failure [1], který popisuje pět hlavních příčin selhání pájeného spoje.

Spolehlivost pájených spojů je vždy problematickou částí elektronického systému, protože na ni působí více faktorů, přičemž kterýkoliv z nich může drasticky ovlivnit životnost spoje. Je proto důležité se již při vývoji pokusit odstranit možné příčiny, protože jejich pozdní řešení bývá nákladné a někdy i velmi obtížné. Některé známé důvody pro selhání pájeného spoje jsou popsány zde.

Pnutí způsobené materiály pro ochranu desek a součástek

Desky plošných spojů jsou běžně chráněny proti účinkům okolního prostředí různými ochrannými laky a zaléváním. Problém je, že teplotní i mechanické vlastnosti těchto polymerických materiálů bývají odlišné od vlastností desky a pouzdra součástky. Pokud vyplní prostor pod součástkou, snaží se působením teploty roztáhnout a součástku nadzdvihnout, čímž se může pájený spoj poškodit. Záleží na vlastnostech vylévací hmoty či ochranného povlaku, jak výrazně se teplotní roztažnost projeví na pájeném spoji. Nejdůležitějším parametrem materiálu je v tomto případě teplota skelného přechodu. Ta u amorfních materiálů představuje bod, při kterém materiál přechází z tvrdého, skelného stavu do měkkého, gumového. Některé polymery používané v elektronice pro zalévání mnohonásobně a skokově mění své elastické vlastnosti při přiblížení se k teplotě skelného přechodu a mohou tak vyvolat pnutí, které má negativní vliv na životnost pájeného spoje.

Neočekávané extrémy teplotních cyklů

Další neočekávané selhání pájeného spoje může být způsobené nesprávným odhadem parametrů teplotních cyklů prostředí, v němž se produkt nachází. Je třeba správně chápat důsledky náběhu teploty a její prodlevy, maximální i minimální teploty. Extrémní výkyvy teploty mohou nastat při změnách teploty prostředí, při cestování v různých pásmech, vystavení elektronického zařízení přímému slunečnímu záření atd. Více informací na toto téma je uvedeno v publikaci Guaranteeing Reliability with Thermal Cycling [2].

Mechanické přetížení

Na spolehlivost pájeného spoje má výrazný vliv přílišné mechanické namáhání, které může nastat například při pádu z výšky, nárazu, vyjímání desky z panelu (depanelizace), montáži do sestavy, testování, připojování konektoru atd. Lze ho obtížně předpovídat, jeho důsledky je ale možné simulovat s pomocí FEA. Více informací na toto téma je v publikaci Investigating Shock Related Failures of Electronic Assemblies [3].

Překombinované požadavky na DPS

Překombinovaný návrh desky i jejího uložení v sestavě, například uložení součástek ve stejných místech na opačných stranách desky (tzv. zrcadlení), způsob uchycení desky, poloha montážních otvorů a další, může způsobit přídavné mechanické namáhání, které se projeví i v pájených spojích součástek umístěných v místech zvýšeného pnutí. Samotné zrcadlení součástek může snížit spolehlivost pájeného spoje dvakrát až třikrát. Poloha montážních bodů ovlivňuje pnutí v desce během jejího roztahování vlivem teploty nebo vibrací. Více informací na toto téma je uvedeno v publikaci System_Level_Effects_on_Solder_ Joint_Reliability [4].

Defekty pájení

Ani omezení výše popsaných vlivů na pájený spoj nepovede k požadovanému výsledku, pokud bude mít spoj defekty způsobené pájením. Defekty vlastního pájení se podílejí na problémech s pájenými spoji velkou měrou, ale lze je do značné míry omezit dodržením správných procesů pájení a kontroly pájených spojů.