Concurrent Reliability Testing as an Alternative for More Comprehensive and Efficient Reliability Testing of Electronic Assemblies

Abstract

Perinteisesti elektroniikan kokoonpanojen luotettavuutta on testattu kiihdytetyillä elinaikatesteillä yhtä rasitusparametriä hyväksikäyttäen. Tässä diplomityössä pyrittiin kehittämään uusi rinnakkainen yhdistelmätestausmenetelmä, joka simuloisi tuotteiden todellisia käyttöolosuhteita todenmukaisemmin. Rasituksien yhdistämisen uskotaan myös nopeuttavan vauriomekanismejä ja täten lyhentävän testaukseen käytettyä aikaa. Työ keskittyi termomekaanisten ja mekaanisten rasitusten yhdistämiseen.

Työn kirjallisuusosa käsitteli kiihdytettyjä elinaikatestejä. Oleelliset yhden rasituksen testimenetelmät käytiin läpi ennen syventymistä useita rasitusparametrejä hyödyntäviin testeihin kirjallisuusselvityksen avulla.

Työn kokeellisessa osassa yhdistettiin tehosyklaus ja tärinätestaus yhdeksi testimenetelmäksi. Ennen rasitusten yhdistämistä suoritettiin yhden rasitusparametrin tehosykli- ja tärinätestit varsinaisten testiparametrien määrittämiseksi ja rinnakkaistestauksen vikaantumismekanismien selvittämiseksi. Tulokset olivat yhtäpitäviä aikaisempien asiasta suoritettujen tutkimusten kanssa, elinaikojen yhdistelmätestauksessa ollessa huomattavasti lyhyempiä kuin oli oletettu erillisten yhden rasitusparametrin testien tulosten perusteella. Yhdistelmätestauksessa havaitut vikaantumismoodit olivat hyvin samankaltaisia tärinätesteissä havaittujen moodien kanssa ja vaurioitumisnopeuden kasvun oletettiin johtuvan juoteliitoksien lämpötilasta aiheutuvien mekaanisten ominaisuuksien muutoksista.

Tulokset osoittivat, että testiparametrien huolellisella valinnalla voidaan uudella menetelmällä saavuttaa todellisia käyttöympäristöjä todenmukaisemmin edustava rasitusympäristö sekä lyhentää testiaikoja merkittävästi. On myös huomioitava, että yksittäin lähes merkityksettömillä rasituksilla saattaa olla merkittäviä yhteisvaikutuksia luotettavuuteen, joita ei voida huomioida perinteisillä yhden rasituksen testeillä.

Traditionally the reliability and lifetime predictions of electronic assemblies have been conducted by employing single load accelerated life tests. This thesis aimed to develop a new concurrent reliability testing method that would offer a more realistic representation of actual use environments. Additionally, the combination of several loadings is expected to accelerate the damage accumulation, thus decreasing the associated testing times and costs. The focus was on the combination of thermomechanical and mechanical loads.

Accelerated life tests were analyzed in the literature part. The relevant conventional accelerated life tests utilizing a single loading parameter were discussed before addressing multiple loading tests by giving a literature review on the current status of the subject.

The experimental part combined power cycling and vibration loading into a single concurrent test method. To determine the actual test parameters and to clarify the failure modes and mechanisms in concurrent loading, single loading tests were conducted before the loads were combined. The experimental results were consistent with the previous results reported in literature with observed lifetimes considerably shorter than expected based on the single load test results. Observed failure modes in concurrent testing closely resembled those observed in pure mechanical loading, but the accelerated damage accumulation rate was attributed to the temperature related change of material properties.

It was concluded that when the loading parameters are carefully set, significant improvements in both the lifelikeness of the loading conditions and in effectiveness can be achieved with the new test method. The results indicated that even under relatively small magnitude single loads the interactions of the various loadings can have significant effects on reliability that cannot be accounted for with single load tests.