Effects of accelerated lifetime test parameters and failure mechanisms on the reliability of electronic assemblies

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Mattila, Toni, Docent, Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
dc.contributor.author Hokka, Jussi
dc.date.accessioned 2014-08-08T09:00:13Z
dc.date.available 2014-08-08T09:00:13Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5776-7 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5775-0 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/13761
dc.description.abstract This dissertation presents the results of accelerated reliability assessment methods employed on lead-free component board assemblies. Temperature cycling and mechanical shock tests are commonly used to assess the reliability of portable electronic products. Higher acceleration factors can be achieved by exposing the devices under test to higher loadings than those experienced in operation conditions or producing the loadings more frequently. Recently there has been an increasing interest towards the optimization of test parameters in order to minimize the time required for testing. However, if the effects of acceleration procedures, especially on solder interconnection microstructures, are not well-understood, misleading conclusions can be made that can lead to poor product reliability having disastrous consequences in the worst case. The results of this work demonstrate that the highly accelerated test conditions can lead to excessive lifetime acceleration and misleading failure mechanisms. It is shown that relaxation of the residual stresses has a significant effect on the shock impact lifetime of component boards while the failure mechanism(s) do not change with the increased impact repetition frequency. Relaxation of the residual stresses in load bearing materials takes place during the time between the impacts. The extent to which they can operate affects the way how the stresses/strains in the solder interconnections develop during further impacts. Similarly, lifetimes and failure mechanisms of component boards under thermomechanical cyclic conditions are shown to be dependent on the accelerated test parameters. In the highly accelerated tests, the microstructural evolution (recrystallization) controls the propagation of cracks, while in the real-use conditions, significantly less microstructural evolution takes place and the rate of crack propagation through the solder is notably lower. Re-assessment of the standardised test parameters and lifetime prediction models is therefore necessary in order to achieve better correlation between test conditions and real-use conditions. This work discusses different ways of achieving this target. en
dc.description.abstract Tässä väitöstyössä esittellään kiihdytettyjen luotettavuustestien vaikutuksia lyijyttömien kokoonpanojen luotettavuuteen. Lämpötilan vaihtelutestejä ja mekaanisia iskutestejä käytetään yleisesti kannettavien elektroniikkatuotteiden luotettavuuden arviointiin. Näiden testimenetelmien tarkoituksena on tuottaa samat vikamekanismit, jotka ilmenevät todellisissa käyttöympäristöissä, mutta huomattavasti lyhyemmässä ajassa. Suurempia kiihtyvyystekijöitä voidaan saavuttaa altistamalla testattavat kokoonpanot suuremmille rasituksille kuin mitä ne kokevat käyttöolosuhteissa tai tuottamalla rasitukset tiheämmin. Viime aikoina on ilmennyt kasvavaa kiinnostusta testiparametrien optimointiin, jotta voitaisiin minimoida aika, joka tarvitaan testien suorittamiseen. On kuitenkin huomioitava, että mikäli kiihtyvyystekijöiden vaikutuksia, erityisesti juoteliitosten mikrorakenteisiin, ei ymmärretä riittävän hyvin, voidaan tehdä harhaanjohtavia johtopäätöksiä, jotka voivat johtaa huonoon luotettavuuteen ja pahimmassa tapauksessa tuhoisiin seurauksiin. Tämän työn tulokset osoittavat, että erittäin kiihdytetyt testiolosuhteet voivat johtaa liialliseen eliniän kiihtyvyyteen ja harhaanjohtaviin vauriomekanismeihin. Työssä on osoitettu, että jäännösjännityksillä on merkittävä vaikutus komponenttilevyjen elinikään iskumaisten kuormitusten alla vaikkakaan vauriomekanismi ei muutu toistotaajuuden muuttuessa. Jäännösjännitysten relaksaatio juotemateriaaleissa tapahtuu iskujen välisenä aikana. Se missä määrin relaksaatiota ehtii tapahtua vaikuttaa siihen miten rasitustilat juoteliitoksissa muuttuvat seuraavien iskujen kuluessa. Vastaavasti komponenttilevyjen eliniät ja vauriomekanismit ovat riippuvaisia kiihdytettyjen testiparametrien muutoksista termomekaanisten syklisten olosuhteiden alla. Erittäin kiihdytetyissä testiolosuhteissa mikrorakenteellinen evoluutio (uudelleenkiteytyminen) ohjaa vaurioiden etenemistä, kun taas todellissa käyttöolosuhteissa  tapahtuu huomattavasti vähemmän mikrorakenteellista muutosta ja vaurioiden eteneminen juoteliitoksissa on huomattavasti hitaampaa. Standardoitujen testiparametrien ja elinikämallien uudellenarviointi on siten tarpeen, jotta voitaisiin saavuttaa parempi korrelaatio testiolosuhteiden ja todellisten käyttöolosuhteiden välille. Tämä työ käsittelee erilaisia tapoja tämän tavoitteen saavuttamiseksi. fi
dc.format.extent 74 + app. 87
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 106/2014
dc.relation.haspart [Publication 1]: Hokka J., Mattila T. T., Li J., Teeri J., Kivilahti J. K., “A Novel Impact Test System for More Efficient Reliability Testing,” Microelectronics Reliability, 50, (2010), pp. 1125-1133. doi:10.1016/j.microrel.2010.04.015.
dc.relation.haspart [Publication 2]: Hokka J., Li J., Mattila T. T., Paulasto-Kröckel M., “The reliability of component boards studied with different shock impact repetition frequencies,” Microelectronics Reliability, 52, (2012), pp. 1445-1453. doi:10.1016/j.microrel.2012.02.024.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Hokka J., Mattila T. T., Xu H., Paulasto-Kröckel M., “Thermal Cycling Reliability of Sn-Ag-Cu Solder Interconnections – Part 1: Effects of Test Parameters,” Journal of Electronic Materials, 42, (2013), pp. 1171-1183. doi:10.1007/s11664-013-2551-x.
dc.relation.haspart [Publication 4]: Hokka J., Mattila T. T., Xu H., Paulasto-Kröckel M., “Thermal Cycling Reliability of Sn-Ag-Cu Solder Interconnections – Part 2: Failure Mechanisms,” Journal of Electronic Materials, 42, (2013), pp. 963-972. doi:10.1007/s11664-013-2475-5.
dc.relation.haspart [Publication 5]: Mattila T. T., Hokka J., Paulasto-Kröckel M., “The Reliability of Micro-Alloyed SnAgCu Solder Interconnections under Cyclic Thermal and Mechanical Shock Loading,” Journal of Electronic Materials, (2014), in print. doi:10.1007/s11664-014-3298-8.
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Effects of accelerated lifetime test parameters and failure mechanisms on the reliability of electronic assemblies en
dc.title Kiihdytettyjen testiparametrien ja vauriomekanismien vaikutuksia elektroniikan kokoonpanojen luotettavuuteen fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Sähkötekniikan ja automaation laitos fi
dc.contributor.department Department of Electrical Engineering and Automation en
dc.subject.keyword electronic assembly en
dc.subject.keyword mechanical load en
dc.subject.keyword microstructure en
dc.subject.keyword recrystallization en
dc.subject.keyword shock impact test en
dc.subject.keyword solder interconnection en
dc.subject.keyword thermal cycling test en
dc.subject.keyword thermal load en
dc.subject.keyword elektroniikan kokoonpano fi
dc.subject.keyword mekaaninen kuormitus fi
dc.subject.keyword mikrorakenne fi
dc.subject.keyword uudelleenkiteytyminen fi
dc.subject.keyword iskutesti fi
dc.subject.keyword juoteliitos fi
dc.subject.keyword lämpökuormitus fi
dc.subject.keyword lämpötilan vaihtelutesti fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5776-7
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Paulasto-Kröckel, Mervi, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
dc.opn Bieler, Thomas, Prof., Michigan State University, USA
dc.opn Wolter, Klaus-Jürgen, Prof., Technische Universität Dresden, Germany
dc.date.dateaccepted 2014-06-26
dc.contributor.lab Unit of Electronics Integration and Reliability en
dc.contributor.lab Elektroniikan integrointi ja luotettavuus fi
dc.rev Jantunen, Heli, Prof., University of Oulu, Finland
dc.rev Bieler, Thomas, Prof., Michigan State University, USA
dc.date.defence 2014-08-22


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account