Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7160
Main Title: Reliability assessment of lead- free solder joint, based on high cycle fatigue & creep studies on bulk specimen
Translated Title: Zuverlässigkeitsbeurteilung von Pb-freien Lot Verbindung unter Ermüdung und Kriechen auf Probenebene
Author(s): Thambi, Joel Luther
Advisor(s): Lang, Klaus-Dieter
Referee(s): Lang, Klaus-Dieter
Tetzlaff, Ulrich
Wunderle, Bernhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The advancement in the electronic technology, have produced smaller and smaller devices that handle ever increasing amounts of power and heat, the micro structural integrity of wire bonds, micro-terminals and solder joints become increasingly important. This is underscored by the fact that the majority of field failures of electronic modules are physical and structural in nature, mostly related to thermal stress and fatigue of solder joints resulting in failure. Within this frame work, reliability assessment of lead-free solder joints is investigated by explicitly understanding the intrinsic material based creep and high cycle fatigue (HCF) properties. First, this work establishes a modified creep model of a SAC alloy using a physical based mechanistic modelling technique. Through experimentation and reformulation steady-state creep behaviour is analysed with minimum strain rates ranging from (10E4 till 10E8 1/s) for different temperatures 35, 80, and 125°C. The new modified physical creep model is proposed, by understanding the respective precipitate-strengthened deformation mechanism, seeing the dependency of the activation energy over the temperature along with stress and finally by integrating the subgrain size dependency. The model is found to accurately modelling the creep behaviour of Lead (Pb) free solder alloy by combining the physical state variables. The features of the creep model can be explored further by changing the physical variable such as subgrain size to reduce the damage parameters for solder joints. Thereby a structure- property relationship is established for Pb free solder alloys, enabling design engineers or material experts to find the optimal solder life performance. Second, the thesis gives deep insight into high cycle fatigue (HCF) behaviour of the Pb- free solder alloy in the region between 10E4 up to 10E8 cycles using fatigue specimen. This work uses a generalised local stress approach that can be translated into a solder joint fatigue evaluation in any microelectronic application. The effect of temperatures on the fatigue property of lead free solder alloy is considered in this work to understand the possible fracture mechanism and microstructural changes in a solder alloy at elevated temperature. Experiments were also performed for different interaction factors under mean stresses (R = 0, -1, -3), stress concentration (notched, un-notched) and surface roughness. SN (stress-life) diagrams presented in this work will compare the performance of SAC solder alloy for different conditions. Furthermore, mathematical fatigue model corrected based on FKM guideline is extracted out of the experiments under these external effects and the fatigue models can be exported later for evaluation purpose. The thesis thereby proposes the use of FKM guideline in the field of microelectronics for the first time. The proposed generalised local stress methodology based on fatigue specimen is validated by performing vibration experiments on two different surface mount technology (SMT) components (chip capacitors and transformers) soldered on single strap PCB under a sine swept loading and elevated temperature. Local stresses from the frequency response, identified on the solder joints will be used as damage parameters in predicting the lifetime of the component. Influential fatigue factors such as temperature, stress gradient, R-ratio, roughness were also considered. Fatigue life of solder joints is determined and experimentally verified with that of the predicted fatigue life of solder joints results.
Durch den Fortschritt in der elektronischen Technologie werden immer kleinere Komponenten produziert, welche stetig größerer Leistung und Erwärmung ausgesetzt sind. Die mikrostrukturelle Integrität von Wire-Bonds, Mikro-Anschlüssen und Lötverbindungen gewinnt rasant an Bedeutung. Dies wird durch die Tatsache begründet, dass die Mehrheit der Fehler in elektronischen Modulen, physikalisch oder strukturell bedingt sind. So führen thermisch induzierte Spannungen zur Ermüdung und dann zur Rissbildung in der Lötstelle. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Zuverlässigkeitsbewertung von bleifreien Lötstellen anhand des Kriechhaltens und des Schwingfestigkeitsverhaltens (HCF) des Lötwerkstoffes untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst ein modifiziertes Kriech-Modell auf Basis der Legierung SAC erstellt. Es nutzt eine, auf physikalischen Grundlagen basierende, mikromechanische Modellierungstechnik. Anhand von Versuchen und einer Darstellung des Kriechverhaltens im stationären Zustand, wurden die minimalen Kriechraten (10E-4 bis 10E-8 1/s) bei den Temperaturen 35, 80, und 125°C untersucht. Ein neues modifiziertes Kriech-modell wird vorgeschlagen, bei dem die Abhängigkeit der Aktivierungsenergie in Abhängigkeit von der Spannung und schließlich die Abhängigkeit von der Subkorngrößen. integriert wird. Das neue Modell beschreibt das Kriechverhalten des bleifreien Lots durch die Kombination verschiedener physikalischer Zustandsgrößen. Dadurch wird eine Struktur-Eigenschaftsbeziehung deutlich, die den Materialwissenschaftlern und Designingenieuren ermöglicht, eine Lotstellenlebensdauer zu ermitteln. Des Weiteren gibt diese Arbeit, für eine Zykluszahl zwischen 10E4 und 10E8, einen Einblick in das Schwingfestigkeitsverhalten des bleifreien Lots. Es wird ein verallgemeinerter lokaler Spannungs Ansatz benutzt, der in jeder Anwendung für die Beurteilung der Lötstellenermüdung eingesetzt werden kann. Außerdem wurden die Einflüsse der Temperatur (35, 85, und 125°C) auf die Ermüdungseigenschaft des bleifreien Lots untersucht, um die möglichen Rissmechanismen und mikrostrukurellen Veränderungen in der Lotverbindung zu verstehen. Es wurden auch Versuche mit den wichtigsten Einflussfaktoren durchgeführt. Dazu gehören der Mittelspannungseinfluss (R=0, -1, -3), die Spannungskonzentration sowie die Oberflächenrauheit. Unter Zuhilfenahme von S-N-Diagrammen wird die Performance von SAC -Lötlegierungen unter unterschiedlichen Bedingungen verglichen. Darüber hinaus wurde ein mathematisches Ermüdungsmodel, basierend auf der FKM-Richtlinie, erstellt. Die dafür notwendigen Daten wurden aus den Versuchen und den Umgebungsbedingungen ermittelt. Dieses Modell wurde für die Beurteilung des Ermüdungsverhaltens verwendet. Die vorgeschlagene verallgemeinerte lokale Spannungsmethodik, basierend auf der uniaxialen Ermüdung der Proben, wurde mithilfe von Vibrationsversuchen validiert. Hierbei wurden zwei verschiedene Komponenten (Keramikkondensatoren und Transformatoren) auf eine Leiterplatte, unter einer Sinuswechsellast und erhöhter Temperatur, getestet. Lokale, während des Frequenzgangs auftretende Spannungen, die auf der Lötverbindung ermittelt wurden, dienen als Zerstörungsparameter für die Prognostizierung der Komponentenlebensdauer. Die Lebensdauer von Lotverbindungen wurde prognostiziert und experimentell verifiziert.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7997
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7160
Exam Date: 15-May-2017
Issue Date: 2018
Date Available: 4-Jul-2018
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): creep model
solder joint
FKM guideline
fatigue
vibration
Kriechmodell
Lötstelle
FKM-Richtlinie
Ermüdung
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in Collections:Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
thambi_joel_luther .pdf17.99 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.