Reliability assessment of electronic assemblies under multiple interacting loading conditions

Abstract

This dissertation presents the results of multiple experimental and computational reliability assessment methods employed on electronic assemblies. It is demonstrated that the typical standardized test procedures often fail to capture the complex loading conditions of service environment and can lead to artificial results due to excessive damage acceleration. An alternative reliability assessment approach based on the use of combined loading tests derived from product service loading characterization is proposed as a solution to the problem. In this proposed approach special attention is paid to establishing a stronger correlation between the material-scientific reliability analyses and lifetime prediction methods. Several methods on how to predict and characterize the reliability of component assemblies under different use cases and field environments are presented. Particular emphasis is placed on the reliability of board-level solder interconnections due to their complex and often unsatisfactory reliability behavior. It is shown that multiple microstructural mechanisms, such as dispersion strengthening, grain growth, strain rate hardening, fatigue and recrystallization, contribute together to the reliability performance of interconnections. The presented relationships between these mechanisms and the affecting loading conditions enable more accurate and comprehensive assessment of electronic product reliability.

Tässä väitöstyössä esitellään tulokset useiden eri kokeellisten ja laskennallisten luotettavuuden arviointimenetelmien sovellutuksista elektronisiin kokoonpanoihin. Tulokset osoittavat että perinteiset standardisoidut testimenetelmät eivät useinkaan anna oikeaa kuvaa nykyaikaisten tuotteiden monimutkaisien käyttöympäristöjen aiheuttamista kuormituksista, ja ne voivat johtaa karkeisiin arviointivirheisiin testeissä käytettyjen liiallisten kiihdytystekijöiden vuoksi. Ongelman ratkaisemiseksi tässä työssä esitellään vaihtoehtoinen yhdistelmätestaukseen perustuva luotettavuuden arviointimenetelmä, jossa tuotteiden todelliset käytönaikaiset rasitukset on huomioitu aiempaa todenmukaisemmin. Ehdotetussa menetelmässä kiinnitetään erityistä huomiota vahvempien riippuvuussiteiden luomiseksi materiaaliteknisten luotettavuusanalyysien ja laskennallisten elinikämallinnusten välille. Esitelty luotettavuuden arviointimenetelmä sisältää useampia koetapoja, joiden avulla voidaan karakterisoida ja ennustaa piirilevykokoonpanojen luotettavuutta erilaisissa käyttöympäristöissä. Uuden menetelmän kehityksessä on kiinnitetty erityisesti huomiota piirilevytason juoteliitoksien luotettavuuteen, sillä näiden liitosten käyttäytyminen erilaisten rasitustilojen alaisuudessa on monimutkaista ja ne muodostavat kokoonpanoissa usein luotettavuusriskin. Työssä havainnollistetaan miten useat mikrorakenteelliset mekanismit, kuten erkautumislujittuminen, rakeenkasvu, muodonmuutosnopeuslujittuminen, väsyminen ja uudelleenkiteytyminen, vaikuttavat yhtäaikaisesti juoteliitosten kykyyn kestää rasituksia. Havaintojen pohjalta esitettyjen mikrorakenteellisten mekanismien ja vaikuttavien kuormitustekijöiden välisten vuorovaikutussuhteiden ymmärtäminen mahdollistaa kokonaisvaltaisemman ja tarkemman luotettavuusanalyysin toteuttamisen elektroniikkatuotteille.