Reliability of lead-free solders in high temperatures
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2014
Department
Major/Subject
Elektroniikan luotettavuus ja integrointi
Mcode
S-113
Degree programme
MTE - Materiaalitekniikana koulutusohjelma
Language
en
Pages
7+74
Series
Abstract
High temperature usage of electronic products has significant effect on reliability. Especially, the acceleration of different failure mechanism is seen in solder joints, due to the microstructural changes and intermetallic compound growth. Lead-free solders differ from SnPb-solders, which have been used for decades, from many physical properties point of view. Therefore, further research on this issue has become imperative. The goal of this thesis was to study the reliability of lead-free interconnections in temperatures exceeding 125 °C. The work was conducted as a literature research, using the latest research material concerning the reliability electronic assemblies subjected to high operating temperatures. In chapter two the most important solder joint failure mechanisms were examined and it was found that especially the elevated temperatures have a major accelerating effect on the solder interconnection failures. The impacts of chemical composition of lead-free solders on their mechanical properties were shown in chapter three. The focus was placed on in SnAgCu-based solders. Chapter four dealt with the testing of solder materials and different testing methodologies. The correlation between the physical properties and temperature was shown in chapter five, and the microstructural changes, coarsening and intermetallic compound growth as well as their effect on reliability was discussed in chapter six. The most relevant interfacial reactions in solders were discussed in chapter seven, as well as problems deriving from different growth and diffusion speeds, and suggestions to solving them. There remain still many unsolved issues related to the reliability of electronic products operating at high ambient temperatures. These challenges are not likely to lessen in the future due to usage of electronics in more and more demanding environments and higher degree of integration required for novel products.Elektroniikassa korkeat lämpötilat nopeuttavat vaurioita, varsinkin juoteliitosten kohdalla mikrorakenteiden muutosten ja metallien välisten yhdisteiden kasvun seurauksena. Lyijyttömät juotteet eroavat vuosikymmeniä käytössä olleesta SnPb-juotteesta monilta fyysisiltä ominaisuuksiltaan, joten niiden tutkiminen on tärkeää. Tämän työn tavoitteena oli tutkia lyijyttömien juoteliitosten luotettavuutta 125 °C lämpötilan yläpuolella. Työ tehtiin kirjallisuustutkimuksena käyttäen viimeisimpiä tutkimustuloksia korkeille lämpötiloille altistetun elektroniikan luotettavuudesta. Kappaleessa kaksi tarkasteltiin lyijyttömien juoteliitosten tärkeimpiä vauriomekanismeja ja havaittiin, että korkealla lämpötilalla on erityisen merkittävä juoteliitosten vikaantumista kiihdyttävä vaikutus. Kemiallisen koostumuksen vaikutuksia lyijyttömien juotteiden mekaanisiin ominaisuuksiin käsiteltiin kappaleessa kolme. Tarkastelun painopiste oli SnAgCu-pohjaisissa juotteissa. Kappaleessa neljä käsiteltiin juotemateriaalien testausta ja erilaisia testausmetodeja. Lämpötilan ja juotemateriaalien fyysisten ominaisuuksien voimakas lämpötilariippuvuus esitettiin kappaleessa viisi, ja kappaleessa kuusi esiteltiin mikrorakenteiden muutokset, karkeutuminen ja metallien välisten yhdisteiden muodostuminen sekä kasvu ja niiden vaikutukset luotettavuuteen. Keskeisimmistä juotemateriaalien välisistä reaktioista käsiteltiin kappaleessa seitsemän, kuten myös erilaisista kasvu- ja diffuusionopeuksista johtuvia ongelmia sekä suosituksia niiden ratkaisemiseksi. Monia kysymyksiä korkean lämpötilan ympäristöissä käytettävän elektroniikan luotettavuudesta jää vielä ratkaisematta. Nämä haasteet eivät todennäköisesti helpotu tulevaisuudessa yhä vaativampien käyttöympäristöjen sekä uusien tuotteiden korkeamman integraatioasteen takia.Description
Supervisor
Paulasto-Kröckel, MerviThesis advisor
Vuorinen, VesaKeywords
reliability, lead-free, solder, Sn-Ag-Cu, SnAgCu, SAC, high, elevated, temperature, microstructure, IMC, intermetallic, compound, failure, mechanism, hardness, Young’s, modulus, coarsening, Kirkendall, void, luotettavuus, lyijytön, juote, Sn-Ag-Cu, SnAgCu, SAC, korkea, lämpötila, mikrorakenne, IMC, vauriomekanismi, kovuus, kimmokerroin, karkeutuminen, Kirkendall, void
