利用sherlock进行快速热循环疲劳评估

焊点疲劳简介

焊点疲劳是循环载荷下焊点的失效。这种载荷可能有多种形式（例如跌落/震动，振动，温度循环），其中电子设备中的大多数焊点疲劳是由热-机械驱动的。在温度循环期间，由于PCB和组件之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，在焊点中产生了应力。这导致焊点经历不可恢复的变形，该变形累积并导致裂纹和最终断裂。

目前对焊点疲劳进行计算，通常包括三种方法：

（1）基于应变范围的经验公式；

此方法直接通过经验公式计算应变的变化范围。其中的计算参数c需要由大量测试结果拟合而成，而且公式中不能考虑板级和系统级的影响。

（2）基于应变能的有限元分析；

此方法需要采用有限元的手段计算应变能。其计算的精度较高，但是对于板级问题来说，由于模型太大，采用有限元计算的时间花费较多，因此通常也很难考虑到板级和系统级的影响。

（3）基于应变能的经验公式。

此方法兼顾了前面两种方法的优点，通过经验公式进行应变能的计算和焊点疲劳寿命的评估。Ansys Sherlock就是采用的这种方法，具体的算法和分析流程见下文。

Sherlock焊点疲劳算法

Sherlock在计算焊点疲劳时，通过失效物理的方式，采用基于应变能的经验公式。具体的计算过程如下：

首先根据结构尺寸和材料参数计算得到载荷F：

再根据温度变化范围得到应变变化范围：

然后计算应变能：

最后由应变能计算循环寿命：

在此计算过程中，需要输入的结构和材料参数既可以手动输入，也可以通过sherlock直接读取ECAD文件获取。

分析流程

分析模型直接从ECAD文档读取，包含多个odb文件，sherlock只需要直接读取打包好的tgz格式文件即可。

图 1 读取tgz文件得到的部件列表

在Sherlock中直接定义热环境，如下图：

图 2 热环境定义

定义好热环境之后，就可以直接进行焊点热疲劳的分析了。如下设置焊点的材料（可以在材料库直接选择，也可以自定义）及热循环事件，点击运行即可。如下图：

图 3 焊点热疲劳求解设置

点击运行后，几秒钟，就可以得到计算结果。双击结果查看：

图 4 焊点疲劳计算结果

从计算结果可以看到，焊点的个数、类型等等，以及循环一次产生的损伤及失效的循环次数。对于当前计算，焊点循环一次的损伤是0.0014，也就是热循环711次之后，焊点就会失效。

结论

从以上计算分析发现，Sherlock在计算焊点疲劳时，采用了经验公式，计算速度极快。因此，应用Sherlock，可以快速根据计算结果进行设计方案的调整，并即刻验证改进效果。这样可以大大缩短产品开发的时间，同时提升产品的可靠性。