電子元件中的熱循環故障

每次開關裝置時，其溫度都會改變。(只要想想手機一整天亮起的頻率。)能量在幾層緊密堆疊的材料之間流動，導致設備升溫，然後迅速冷卻。這種設備在使用壽命期間反覆在不同溫度之間變動的情況被稱為熱循環。

為何散熱管理很重要

熱循環，指的是設備在熱與冷狀態之間來回運行的過程，是導致電子產品失效的主要原因之一。如果發生熱疲勞，裝置內的多個系統可能會受到影響，導致變形、焊點虛弱、斷裂或開裂，最終，如果不加以緩解，整體產品將會失效。

因為現今電子裝置無所不在，熱循環所造成的應變會影響各種產業的裝置元件，例如：

有幾個原因會造成元件對於熱循環敏感，其中包括元件在電路板上的位置以及元件的類型，例如四方平封無引線封裝（QFN）、球柵陣列（BGA）和陶瓷電容。這些元件並沒有彈性引線，因此只有焊料可以吸收應變。

使用易受應變影響的元件時，請勿將其置於電路板上的高應變區域，例如：

在圖 2 中，QFN 置於印刷電路板 (PCB) 上的兩個大型電感器之間，四個角落皆有支架。在熱循環事件期間，您可以看到熱能產生的高應變區域 (以紅色和黃色表示)。將 QFN 放在熱循環造成的高應變區域中，可能會導致 QFN 的焊接點損壞。

焊接是連接電路板元件的基本方法之一。如同金屬熱熔膠，將焊料熔化後黏接各個元件，再等待焊料硬化即可。雖然震動或衝擊可能會造成焊料退化，但熱循環是焊接點損壞最常見的原因。

每種材料的熱膨脹係數 (CTE) 各有不同，而材料 CTE 互不相符是造成焊接疲勞的主要因素。一旦焊料變得緊繃，元件與電路板之間的接合處會變形、破裂或斷裂，進而造成故障風險。

電路板上的元件並不完全能通電。用來傳遞電力的各層材料通常深埋在電路板內，無法從頂部或底部觀察到。當電力通過時，元件會膨脹、收縮，然後變形。預測這些元件對熱循環的反應相當重要，這能讓您準確執行生命週期測試。

在理想情況下，為了避免熱疲勞導致故障，工程師應在設計階段減少熱應力源。他們可以透過模擬，在實際製作原型前查看應力的發生位置，然後據此變更材料層和限制數量、元件位置和底部填充材料。

透過模擬來測試熱機械可靠性風險時，使用具有限元素分析 (FEA) 或結構分析能力的軟體很重要。FEA 是以數學表示的物理系統，使用網格將元素對應到模型。這種網格劃分技術是提高分析準確度的關鍵。

瞭解熱機械可靠性風險是設計電子裝置的關鍵步驟。溫度循環是電子裝置故障的主因之一。設計裝置時，若未將此風險納入考量，可能導致現場發生意外的產品故障。工程師可以使用模擬功能來踏出第一步。這個重要步驟能避免拉長設計週期，並減少原型製作迭代次數。

歡迎觀看此隨選網路研討會，進一步瞭解元件層級可靠性、電路板層級可靠性，以及影響可靠性的系統層級互動：如何預測電子裝置的熱循環故障

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Ansys 主任應用工程師