Reliability of lead-free solder interconnections in thermal shock and power cycling tests

Abstract

Tässä diplomityössä tutkittiin lyijyttömien BGA-juoteliitosten luotettavuutta lämpöshokki- ja tehosyklaustestauksessa. Juoteliitosten vaurioiden lisäksi tarkasteltiin piirilevyyn valmistettujen lämpöläpivientien vaikutusta rakenteen luotettavuuteen. Tehosyklaustestauksen osalta keskityttiin myös itse testin vaatimuksiin sekä sen soveltuvuuteen kiihdytettyyn elinikätestaukseen. Kirjallisuusosassa käsiteltiin lyhyesti elektroniikan kokoonpanoprosessia sekä mahdollisia lyijyttömiä juotevaihtoehtoja. Kokoonpanon lisäksi perehdyttiin elektroniikan lämmönhallintaan ja tietokoneavusteiseen mallinnukseen sekä lämpöshokki- ja tehosyklaustesteihin.

Lämpöshokkitesti suoritettiin JESD22-A104C- standardin mukaisesti. Käytetty lämpötilaväli oli 0-125 °C 10 minuutin pitoajoilla sekä ylä- että alalämpötilassa. Tehosyklaustestiä varten suunniteltiin ja toteutettiin mukautettu testausjärjestelmä. Tehosyklaustestissä osassa testikokoonpanoissa itse komponentti toimi lämmönlähteenä, kun taas osassa kokoonpanoista piirilevyn sisään valmistetut vastukset tuottivat lämpöä. Tehosyklaustestissä lämpötilaväli oli noin 25-125 °C ja pitoajat 10 minuuttia sekä ylä- että alalämpötilassa. Tehosyklaustestin luonteen takia lämpötilajakauma oli kuitenkin hyvin epätasainen verrattuna lämpöshokkitestiin.

Työn tuloksena lämpöshokkitesti todettiin rasittavimmaksi johtuen suurimmista kokonaisvenymistä. Ensimmäinen vaurioitunut kokoonpano havaittiin 4382 syklin jälkeen. Suurimmat rasitukset kohdistuivat sirun reunalla ja komponentin kulmissa sijaitseviin juoteliitoksiin. Kun tehosyklaustestissä käytettiin piirilevyn sisään valmistettuja vastuksia, havaittiin sen olevan samankaltainen lämpöshokkitestin kanssa. Juoteliitoksissa nähtiin selviä murtumia, mutta rasitukset olivat kuitenkin pienempiä eikä sähköiseen toimintaan vaikuttavia vaurioita havaittu. Lämpeneminen ja rasitukset olivat huomattavasti paikallisempia ja keskittyivät sirun reunalla sijaitseviin juoteliitoksiin, kun komponentti toimi lämmöntuottajana. Vaurioita, jotka olisivat vaikuttaneet sähköiseen toimintaan, ei havaittu. Vauriomekanismi kaikissa testeissä oli uudelleenkiteytymisen avustama särön ydintyminen ja eteneminen. Lämpöläpivienneillä ei havaittu olevan merkitystä rakenteen luotettavuuteen. Kaiken kaikkiaan tehosyklauksen todettiin olevan varteenotettava vaihtoehto perinteiselle lämpöshokkitestaukselle.