2.1 疲劳失效的典型场景

元器件通过焊料连接到PCB上，焊点会受到元器件封装与PCB热膨胀失配的影响，也会受到不同连接材料热膨胀失配的影响。前者通常定义为整体热膨胀失配，后者定义为局部热膨胀失配。此外，还有一种热膨胀失配，就是焊料内不同金相组织的热膨胀失配，通常定义为内部热膨胀失配。这些热膨胀失配的类别其实就是焊点疲劳失效的典型场景，它们都可能导致焊点的疲劳失效，而整体热膨胀失配则是大多数焊点疲劳失效的主要机理。需要指出的是，这里使用“热膨胀失配”一词，主要是电子产品工作时温度都会升高，因此采用“热膨胀失配”一词。但应该理解，我们讨论的是温度循环，有升温，也有降温，降温时的收缩失配与升温时的膨胀失配一样，都会对焊点形成应力作用，只是方向相反而已。因此，在提到“热膨胀失配”一词时，应理解为它是膨胀失配与收缩失配的一个简化描述，其含义包括收缩失配这种情况。

2.1.1 整体热膨胀失配

整体热膨胀失配起因于电子元器件或连接器与PCB热膨胀失配，如图2-1所示。由于材料的CTE（热膨胀系数）以及有源器件内热能耗散造成的热梯度的差异，产生了这些热膨胀差别。

图2-2是CSP芯片焊接在FR-4基板上因温度循环而导致焊点失效的一个案例。失效原因是CSP芯片的CTE与FR-4基板的CTE相差较大，存在严重的整体膨胀失配情况，组件遭受温度循环时焊点不断受到周期性剪切应力的作用而疲劳失效。之所以焊点会受到剪切应力的作用，是元器件安装到PCB上所形成的互连结构导致的。元器件和PCB的刚度远大于焊点，热膨胀失配时，元器件与PCB的刚性约束使得绝大部分应力都作用到较软的焊点连接层。

2.1.2 局部热膨胀失配

当陶瓷封装类器件安装在陶瓷板上时（注意，这是高可靠产品非常典型的一种应用场景），主要的不匹配表现为局部热膨胀失配。局部热膨胀失配是由焊料和元器件基材或与其焊接的PCB的热膨胀不一致导致的，如图2-3所示。这些热膨胀的不一致起因于热量传递时焊料和基材的热膨胀系数（CTE）的差异。局部热膨胀失配通常小于整体热膨胀失配，这是因为最大润湿区尺寸要小得多，只有几百微米。

2.1.3 内部热膨胀失配

内部热膨胀失配通常指的是焊点内的不同金相组织的热膨胀失配，如锡/铅焊料内部富铅区域和富锡区域的CTE差异所造成的热膨胀失配。内部热膨胀失配通常是很小的，因为其作用距离就是晶粒的尺度，远小于润湿长度或元器件尺寸，但是内部热膨胀失配有时会成为不能忽略的影响因素，如在无铅BGA焊点中，界面双层IMC之间的不匹配往往是焊点失效的主要原因。 zJ7HT3AX4C/x0VO+8FtSqkplJkBDP4aZL2rAGUK0gYu40gAl4/GDBCn4Fn1xQef6