一、两类环境应力的基本差异
交变湿热和温度循环是 PCB 组件环境可靠性测试中最常见的两类温湿度应力,但两者的应力构成和对焊点组件的失效诱因存在本质区别。交变湿热是“温度+湿度”的双重作用——高温高湿促进化学腐蚀和离子迁移;温度循环是“纯温度”的交替变化——高低温切换产生热机械应力。
二、交变湿热:腐蚀与迁移的温床
交变湿热试验依据 GB/T 2423.4 / IEC 60068-2-30 执行,在高温高湿与低温高湿之间交替循环。对 PCB 焊点组件的失效诱因主要包括:电化学迁移,即焊点之间在湿度和偏压作用下形成导电枝晶导致短路;腐蚀,即焊料中的金属成分在湿气作用下发生氧化或氯化反应;以及绝缘电阻下降,即湿气在 PCB 表面形成连续水膜,降低焊点之间的绝缘电阻。
交变湿热失效的焊点通常表现为焊点表面发黑或变色、焊点间出现细小的树枝状结晶、以及 PCB 表面有明显的冷凝水痕迹。
三、温度循环:热应力疲劳的驱动器
温度循环试验依据 GB/T 2423.22 / IEC 60068-2-14 执行,在高温和低温之间快速切换,不控制湿度。对 PCB 焊点组件的失效诱因主要是热疲劳,即焊料与 PCB 基材、元器件引脚之间的热膨胀系数差异在温度变化中产生周期性应力,导致焊点逐步疲劳开裂。
温度循环失效的焊点通常表现为焊点表面出现微裂纹、裂纹沿焊料与元器件引脚的交界面扩展、以及焊点呈现典型的疲劳断口形貌。
四、PCB 组件的损伤位置差异
交变湿热对 PCB 组件的损伤具有“面”的特征——影响的是整片 PCB 的表面绝缘性能和所有焊点的化学稳定性,而非特定焊点。温度循环对 PCB 组件的损伤具有“点”的特征——集中在大尺寸元器件(BGA、QFP、电解电容、变压器等)的焊点处,因为大尺寸元器件的热膨胀差异最大。
五、设计对策的差异
针对交变湿热,设计对策聚焦于防潮和抗腐蚀:增加 PCB 的三防漆涂覆厚度和覆盖率;增加焊点之间的电气间隙和爬电距离;选用耐腐蚀性更好的焊料合金。针对温度循环,设计对策聚焦于热应力释放:选用热膨胀系数与 PCB 更接近的元器件封装;在 BGA 焊盘上增加应力释放孔;选用韧性更好的焊料。
六、结语
交变湿热对 PCB 焊点组件的失效诱因是化学腐蚀和离子迁移,失效具有“面”的特征,受湿度驱动;温度循环的失效诱因是热机械疲劳,失效具有“点”的特征,受温度变化率驱动。两者的失效机理不同,设计对策亦不同。


