موضوع مقاله: فرسودگی لحیم | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # فرسودگی لحیم | مقدمه: فرسودگی لحیم نوعی تخریب مکانیکی لحیم به دلیل تغییر شکل تحت بارگذاری دوره‌ای است. | ## بخش 1: فرسودگی لحیم | این اتفاق اغلب در سطح تنش زیر تنش تسلیم لحیم در اثر نوسانات مکرر دما، ارتعاش‌های مکانیکی یا بارهای مکانیکی رخ می‌دهد. Toronto, ON, بررسی اجمالی لحیم یک آلیاژ فلزی است که برای تشکیل اتصالات الکتریکی، حرارتی و مکانیکی بین بستر قطعات و برد مدار چاپی (PCB) در یک مونتاژ الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگرچه سایر اشکال بارگذاری دوره‌ای به دلیل فرسودگی لحیم شناخته شده‌است، اما تخمین زده شده‌است که بیشترین میزان خرابی‌های الکترونیکی به دلیل تغییرات سیکلی دما از لحاظ گرما مکانیکیG. تحت تغییرات سیکلی حرارتی، تنش‌ها در لحیم به دلیل نامتناسبی‌های ضریب انبساط حرارتی (CTE) ایجاد می‌شوند. این امر باعث می‌شود که اتصالات لحیم تغییر شکلی غیرقابل بازگشت را از طریق خزش و موم‌سانی که تجمع یافته و منجر به تخریب و شکستگی نهایی می‌شود، تجربه می‌کنند. از نظر تاریخی، لحیم‌های قلع-سرب، آلیاژهای متداول مورد استفاده در صنعت الکترونیک بودند؛ اگرچه آنها هنوز در صنایع و کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند، به دلیل الزامات نظارتی RoHS، لحیم‌های بدون سرب به‌طور قابل توجهی محبوب‌تر شده‌اند. برای توصیف رفتار فرسودگی خزش آلیاژهای مختلف لحیم و توسعه مدل‌های پیش‌بینی آسیب‌های زندگی با استفاده از رویکرد فیزیک خرابی کار زیادی انجام شده‌است. این مدل‌ها اغلب هنگام تلاش برای ارزیابی قابلیت اطمینان اتصالات لحیم استفاده می‌شوند. عمر فرسودگی مفصل لحیم به عوامل مختلفی از جمله: نوع آلیاژ و ریزساختار حاصل از آن، هندسه فصل مشترک، خصوصیات ماده مؤلفه، خواص مواد بستر PCB، شرایط بارگیری و شرایط مرزی مونتاژ و… بستگی دارد. فرسودگی لحیم مکانیکی در طول عمر عملیاتی یک محصول به دلیل اتلاف قدرت در اجزای سازنده، دچار نوسانات دما از گشت و گذار در دمای ویژه و گرمایش خود می‌شود. عدم مطابقت جهانی و محلی نامتناسبی‌های ضریب انبساط حرارتی (CTE) بین اجزا، عناصر سرب، بستر PCB و تأثیرات سطح سیستم، تنش‌هایی بین رابط‌ها (به عنوان مثال اتصالات لحیم) ایجاد می‌کند. ویژگی‌های تغییر شکل آلیاژهای مختلف لحیم را می‌توان در مقیاس میکرو به تفاوت در ترکیب و در نتیجه ساختار نسبت داد. این قابلیت روی مکانیزم‌های تغییر شکل مانند حرکت نابجایی، نفوذ و لغزش مرز دانه‌ها تأثیر گذار خواهد بود. این اتفاق در نهایت منجربه ایجاد ترک و انتشار آن می‌شود که می‌تواند به عنوان آسیب فرسودگی انباشته شده شناخته شود. رفتار توده‌ای حاصل از لحیم به عنوان ویسکوپلاستیک (به عنوان مثال دگردیسی ناکشسانی وابسته به نرخ)، با حساسیت به دمای بالا توصیف می‌شود. بیشتر لحیم‌ها در طول عمر عملیاتی خود در معرض دما در نزدیکی دمای ذوب (دمای همولوگ زیاد) قرار دارند که این باعث می‌شود آنها نسبت به خزش قابل توجهی حساس شوند. چندین مدل سازنده برای ضبط ویژگی‌های خزش لحیم سرب و سرب ایجاد شده‌است؛ که رفتار خزش را می‌توان در سه مرحله توصیف کرد: خزش اولیه، ثانویه و سوم. | ## بخش 2: فرسودگی لحیم | هنگام مدل کردن لحیم، خزش ثانویه که به آن حالت خزش پایدار (سرعت کرنش ثابت) نیز گفته می‌شود، اغلب منطقه مورد علاقه برای توصیف رفتار لحیم در الکترونیک است. این پارامترهای مدل اغلب به عنوان ورودی در شبیه‌سازی آنالیز اجزا محدود قرار داده می‌شوند تا به درستی رفتار لحیم نسبت به بارگذاری را مشخص کنند. مدل‌های فرسودگی این مدل‌ها از یک پارامتر فیزیکی که یک اندازه‌گیری مهم در فرایند مکانیزم آسیب است (یعنی دامنه کرنش غیر الکتریکی یا چگالی انرژی کرنش پراکنده)، یک روش مبتنی بر فیزیک از شکست با استفاده از یک پارامتر فیزیکی از شکست استفاده می‌کنند. رابطه بین این پارامتر فیزیکی و سیکل‌ها با شکست به‌طور معمول یک قانون قدرت یا رابطه قانون اصلاح شده قدرت با ثابت‌های مدل وابسته به مواد را در بر می‌گیرد. این ثابت‌های مدل از آزمایش‌های تجربی و شبیه‌سازی برای آلیاژهای مختلف لحیم بدست می‌آیند. در نظر می‌گیرد: در اینجا Δε /۲ نشان دهنده محدوده کرنش سیکلی الاستیک - پلاستیک، E نشان دهنده مدول الاستیک، m σ نشان دهنده تنش میانگین و NF نشان دهنده تعداد سیکل‌های منجر به شکست است. متغیرهای باقیمانده، یعنی σ f، ε ' f، b و c ضرایب فرسودگی و ثابت‌های مدل کردن مواد هستند. مدل کافین-مانسون تعمیم یافته اثرات فرسودگی چرخه بالا (HCF) را در درجه اول به دلیل تغییر شکل الاستیک و فرسودگی سیکل پایین (LCF) در درجه اول به دلیل تغییر شکل پلاستیک می‌دهد. که برخی از محدودیت‌های مدل کافین-مانسون تعمیم یافته مانند اثرات فرکانس و دما را مرتفع می شاخت. الگوی او یک قانون قدرت مشابه دارد: انگلمایر کرنش کل برشی (Δγ) را به تعداد سیکل‌های منجر به شکست (N F). ε، C و F که ثابت‌های مدل هستند و در آن c یک تابع از میانگین درجه حرارت در طول سیکل‌های حرارتی (T s) و فرکانس سیکل‌های حرارتی (f) است نسبت می‌دهد. Δγ می‌تواند به عنوان تابعی از فاصله از نقطه خنثی (LD) ارتفاع فصل مشترک لحیم (h sا)، ضریب انبساط حرارتی (Δ α) و تغییر دمای (Δ T) محاسبه می‌شود. این مدل بعد از آن که توسط انگلمایر معرفی شده توسط دیگران اصلاح شده‌است تا پدیده‌های دیگری مانند اجزای سرب، زمان ساکن شدن سیکل‌های حرارتی و لحیم بدون سرب را به خود اختصاص دهد. در حالی که در ابتدا بهبود قابل توجهی نسبت به سایر تکنیک‌ها برای پیش‌بینی فرسودگی لحیم، مانند آزمایش و تبدیل شتاب ساده داشت در حال حاضر به‌طور کلی اذعان شده‌است که انگگلایر و سایر مدل‌هایی که بر اساس محدوده کرنش هستند، از صحت کافی برخوردار نیستند. در معادله اول N 0 تعداد سیکل‌ها برای شروع ترک را نشان می‌دهد، ∆W چگالی کار غیراستیک را نشان می‌دهد و K 1 و K 2 ثابت‌های مدل ماده هستند. در معادله دوم، da / DN نشان دهنده نرخ انتشار ترک، ΔW نشان دهنده چگالی کار غیر الاستیک و K 3 و K 4 ثابت‌های مدل ماده هستند. ثابت‌های مدل می‌توانند برای آلیاژهای لحیم مختلف با استفاده از ترکیبی از آزمایش تجربی و شبیه‌سازی آنالیز اجزای محدود (FEA) مناسب باشد. | ## بخش 3: فرسودگی لحیم | مدل در مورد مدل‌سازی فرسودگی لحیم در سراسر مونتاژ مدار چاپی (PCB) پذیرفته نشده‌است و مشخص شده‌است که در پیش‌بینی اثرات سطح سیستم (سه محوری) بر فرسودگی لحیم نادرست است. بلاتائو استفاده از انرژی کرنش ارائه شده توسط دراویو را شامل می‌شود، در حالی که از معادلات بسته استفاده شده بر اساس مکانیک کلاسیک برای محاسبه تنش و کرنش در اتصال لحیم استفاده می‌کند. نمونه ای از این محاسبات تنش / کرنش برای یک جزء تراشه ساده بدون سرب در معادله زیر نشان داده شده‌است: در اینجا α یک CTE است، T دما، L D فاصله تا نقطه خنثی، E مدول الاستیک، A مساحت، h ضخامت، G مدول برشی و ν ضریب پواسون و a سول لبه پیوند مس است. تنش برشی (∆τ) با تقسیم این نیروی محاسبه شده بر روی ناحیه مفصل لحیم مؤثر محاسبه می‌شود. انرژی کرنش با استفاده از محدوده کرنش برشی و تنش برشی از رابطه زیر محاسبه می‌شود: این تقریباً حلقه هیسترزیس را از نظر شکل تقریباً یکدست می‌کند. بلاتائو با استفاده از این مقدار انرژی کرنشی در رابطه با مدل‌های توسعه یافته توسط سیدSyed, A. سایر مدل‌های فرسودگی محدوده کرنش اضافی و مدل‌های مبتنی بر انرژی کرنش توسط چندین نفر دیگر ارائه شده‌اند.S. ارتعاش و فرسودگی مکانیکی سیکلی در حالی که عنوان فرسودگی لحیم به اندازه فرسودگی ترمومکانیکی شایع نیست، اما فرسودگی ارتعاشی و فرسودگی مکانیکی سیکلی نیز باعث خرابی لحیم می‌شود. فرسودگی ارتعاشی معمولاً به عنوان فرسودگی ناشی از چرخه بالا (HCF) در نظر گرفته می‌شود و صدمات ناشی از تغییر شکل الاستیک و گاهی تغییر شکل پلاستیک است. این مدل مشخصات لرزش ورودی مانند چگالی طیف قدرت یا تاریخ زمان شتاب، فرکانس طبیعی کارت مدار و قابلیت انتقال را در نظر می‌گیرد. بلاتائو یک مدل اشتاینبرگ اصلاح شده است که از سویه‌های سطح تخته به جای جابجایی استفاده می‌کند و نسبت به انواع بسته‌بندی حساسیت دارد. علاوه بر این، سیکل‌های مکانیکی هم‌دما با دمای پایین به‌طور معمول با ترکیبی از محدوده کرنش LCF و HCF یا مدل‌های انرژی کرنش مدل می‌شود. آلیاژ لحیم، هندسه مونتاژ و مواد، شرایط مرزی و شرایط بارگذاری تأثیر می‌گذارد که فرسودگی ناشی از آسیب الاستیک (HCF) یا پلاستیک (LCF) است. در دماهای پایین‌تر و سرعت کرنش سریعتر می‌توان خزش را به حداقل رساند و هرگونه آسیب غیر الاستیک را توسط پلاستیسیته به تعویق انداخت. چندین مدل تنش و کرنش انرژی در این نوع مورد استفاده شده‌است، مانند مدل کافین-مانسون تعمیم یافته. | ## جمع‌بندی | در این مورد، کار زیادی برای توصیف ثابت مدل‌های مختلف آسیب برای آلیاژهای مختلف انجام شده‌است.