Vibration test as a new method for studying the mechanical reliability of solder interconnections under shock loading conditions

Thumbnail Image

Files

isbn9789512287352.pdf (5.19 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Doctoral thesis (monograph)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2007-04-20

Department

Department of Electrical and Communications Engineering
Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

128

Series

Report series / Helsinki University of Technology, Laboratory of Electronics Production Technology, 17

Abstract

This thesis presents a new large-amplitude vibration test method for studying the reliability of electronic assemblies under mechanical shock loadings. The vibration test has two important advantages as compared to the widely employed JESD22-B111 drop test: firstly, the vibration test is a more versatile method and, secondly, the testing can be carried out very rapidly, in the matter of seconds. The impact forces caused by dropping of portable devices make their component boards to vibrate excessively, which causes failures in solder interconnections between component bodies and the bending circuit boards. The component boards can be drop tested according to the JEDEC standard or vibration tested with the method developed in this work. The loading conditions and the failure modes during the tests are compared by making use of the finite element method, experimental measurements, and the standard methods of failure analysis. The finite element method is used to analyse the vibration of the component boards during the tests and the stresses produced in the interconnections. The plastic properties needed for the analyses are measured for the three solders (Sn2Ag0.5Cu, Sn3.4Ag0.8Cu, and Sn4Ag0.5Cu) as a function of strain rate and temperature. Due to the high strain rates during the rapid bending in the tests, the magnitudes of stresses increase significantly as compared to those during thermal cycling. According to the analyses, the vibration system generates equivalent stresses as the drop test, if the bending frequency and amplitude are properly adjusted. Strain gauges are used to determine the bending of the component boards during the drop tests, and similar vibratory bending is reproduced with the help of the vibration system. When the bending frequencies and amplitudes of the component boards in the vibration test are similar to those in the drop test, the same failure modes are observed. Because of the similar strain rates, maximum strains, calculated stresses, and the same observed failure modes, it is concluded that the vibration test can be used for studying the reliability of solder interconnections under shock loading conditions.

Tämä väitöskirja esittelee uuden suurella amplitudilla tapahtuvan tärytystestausmenetelmän, joka on tarkoitettu komponenttilevyjen luotettavuuden tutkimiseen mekaanisessa iskumaisessa kuormituksessa. Tärytystestillä on kaksi merkittävää etua laajasti käytettyyn JESD22-B111-pudotustestiin verrattuna: tärytyslaitteistolla voidaan tehdä monipuolisempia testejä ja testit ovat erittäin nopeita, sekuntien luokkaa. Kannettavan laitteen putoamisesta aiheutuvan iskun johdosta laitteen piirilevyt alkavat värähdellä voimakkaasti, mikä aiheuttaa vaurioita komponenttien ja taipuvan piirilevyn välissä oleviin juoteliitoksiin. Komponenttilevyjä voidaan pudotustestata JEDEC:n standardin mukaisesti tai tärytystestata tässä työssä kehitetyllä menetelmällä. Työssä testien aikaisia kuormituksia ja syntyneitä vauriotyyppejä verrattiin elementtimenetelmällä, mittauksilla ja normaaleilla vaurioanalyysimenetelmillä. Elementtimenetelmällä analysoitiin komponenttilevyjen värähtelyä testien aikana ja juoteliitoksiin syntyneitä jännityksiä. Laskuja varten kolmen juotteen (Sn2Ag0.5Cu, Sn3.4Ag0.8Cu ja Sn4Ag0.5Cu) plastiset ominaisuudet mitattiin venymänopeuden ja lämpötilan funktioina. Nopean taipumisen aiheuttamien suurten venymänopeuksien vuoksi jännitykset kasvavat näissä testeissä merkittävästi yli lämpösyklauksessa esiintyvien jännitysten. Jännitysanalyysin perusteella tärytyslaitteisto synnyttää pudotustestausta vastaavat jännitykset, kun herätteen taajuus ja amplitudi säädetään sopiviksi. Komponenttilevyjen taipumaa pudotustestissä tutkittiin venymäliuskoilla ja vastaava taipuma aiheutettiin tärytyslaitteistolla. Kun tärytystestissä komponenttilevyjen taipuman taajuus ja amplitudi olivat saman suuruisia kuin pudotustestissä, havaittiin samat vauriotyypit. Saman suuruisten venymänopeuksien, venymien ja laskettujen jännitysten sekä samojen vauriotyyppien vuoksi voidaan päätellä, että tärytystestillä voidaan tutkia juoteliitosten luotettavuutta iskumaisissa kuormituksissa.

Description

Keywords

test methods, mechanical shock loading, large-amplitude vibration test, reliability, stresses, strains, electronic assemblies, components, solder interconnections

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-009180

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC