Effects of accelerated lifetime test parameters and failure mechanisms on the reliability of electronic assemblies
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2014-08-22
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
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.
Author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
74 + app. 87
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 106/2014
Abstract
This dissertation presents the results of accelerated reliability assessment methods employed on lead-free component board assemblies. Temperature cycling and mechanical shock tests are commonly used to assess the reliability of portable electronic products. Higher acceleration factors can be achieved by exposing the devices under test to higher loadings than those experienced in operation conditions or producing the loadings more frequently. Recently there has been an increasing interest towards the optimization of test parameters in order to minimize the time required for testing. However, if the effects of acceleration procedures, especially on solder interconnection microstructures, are not well-understood, misleading conclusions can be made that can lead to poor product reliability having disastrous consequences in the worst case. The results of this work demonstrate that the highly accelerated test conditions can lead to excessive lifetime acceleration and misleading failure mechanisms. It is shown that relaxation of the residual stresses has a significant effect on the shock impact lifetime of component boards while the failure mechanism(s) do not change with the increased impact repetition frequency. Relaxation of the residual stresses in load bearing materials takes place during the time between the impacts. The extent to which they can operate affects the way how the stresses/strains in the solder interconnections develop during further impacts. Similarly, lifetimes and failure mechanisms of component boards under thermomechanical cyclic conditions are shown to be dependent on the accelerated test parameters. In the highly accelerated tests, the microstructural evolution (recrystallization) controls the propagation of cracks, while in the real-use conditions, significantly less microstructural evolution takes place and the rate of crack propagation through the solder is notably lower. Re-assessment of the standardised test parameters and lifetime prediction models is therefore necessary in order to achieve better correlation between test conditions and real-use conditions. This work discusses different ways of achieving this target.Tässä väitöstyössä esittellään kiihdytettyjen luotettavuustestien vaikutuksia lyijyttömien kokoonpanojen luotettavuuteen. Lämpötilan vaihtelutestejä ja mekaanisia iskutestejä käytetään yleisesti kannettavien elektroniikkatuotteiden luotettavuuden arviointiin. Näiden testimenetelmien tarkoituksena on tuottaa samat vikamekanismit, jotka ilmenevät todellisissa käyttöympäristöissä, mutta huomattavasti lyhyemmässä ajassa. Suurempia kiihtyvyystekijöitä voidaan saavuttaa altistamalla testattavat kokoonpanot suuremmille rasituksille kuin mitä ne kokevat käyttöolosuhteissa tai tuottamalla rasitukset tiheämmin. Viime aikoina on ilmennyt kasvavaa kiinnostusta testiparametrien optimointiin, jotta voitaisiin minimoida aika, joka tarvitaan testien suorittamiseen. On kuitenkin huomioitava, että mikäli kiihtyvyystekijöiden vaikutuksia, erityisesti juoteliitosten mikrorakenteisiin, ei ymmärretä riittävän hyvin, voidaan tehdä harhaanjohtavia johtopäätöksiä, jotka voivat johtaa huonoon luotettavuuteen ja pahimmassa tapauksessa tuhoisiin seurauksiin. Tämän työn tulokset osoittavat, että erittäin kiihdytetyt testiolosuhteet voivat johtaa liialliseen eliniän kiihtyvyyteen ja harhaanjohtaviin vauriomekanismeihin. Työssä on osoitettu, että jäännösjännityksillä on merkittävä vaikutus komponenttilevyjen elinikään iskumaisten kuormitusten alla vaikkakaan vauriomekanismi ei muutu toistotaajuuden muuttuessa. Jäännösjännitysten relaksaatio juotemateriaaleissa tapahtuu iskujen välisenä aikana. Se missä määrin relaksaatiota ehtii tapahtua vaikuttaa siihen miten rasitustilat juoteliitoksissa muuttuvat seuraavien iskujen kuluessa. Vastaavasti komponenttilevyjen eliniät ja vauriomekanismit ovat riippuvaisia kiihdytettyjen testiparametrien muutoksista termomekaanisten syklisten olosuhteiden alla. Erittäin kiihdytetyissä testiolosuhteissa mikrorakenteellinen evoluutio (uudelleenkiteytyminen) ohjaa vaurioiden etenemistä, kun taas todellissa käyttöolosuhteissa tapahtuu huomattavasti vähemmän mikrorakenteellista muutosta ja vaurioiden eteneminen juoteliitoksissa on huomattavasti hitaampaa. Standardoitujen testiparametrien ja elinikämallien uudellenarviointi on siten tarpeen, jotta voitaisiin saavuttaa parempi korrelaatio testiolosuhteiden ja todellisten käyttöolosuhteiden välille. Tämä työ käsittelee erilaisia tapoja tämän tavoitteen saavuttamiseksi.Description
Supervising professor
Paulasto-Kröckel, Mervi, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, FinlandThesis advisor
Mattila, Toni, Docent, Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, FinlandKeywords
electronic assembly, mechanical load, microstructure, recrystallization, shock impact test, solder interconnection, thermal cycling test, thermal load, elektroniikan kokoonpano, mekaaninen kuormitus, mikrorakenne, uudelleenkiteytyminen, iskutesti, juoteliitos, lämpökuormitus, lämpötilan vaihtelutesti
Parts
- [Publication 1]: Hokka J., Mattila T. T., Li J., Teeri J., Kivilahti J. K., “A Novel Impact Test System for More Efficient Reliability Testing,” Microelectronics Reliability, 50, (2010), pp. 1125-1133. doi:10.1016/j.microrel.2010.04.015.
- [Publication 2]: Hokka J., Li J., Mattila T. T., Paulasto-Kröckel M., “The reliability of component boards studied with different shock impact repetition frequencies,” Microelectronics Reliability, 52, (2012), pp. 1445-1453. doi:10.1016/j.microrel.2012.02.024.
- [Publication 3]: Hokka J., Mattila T. T., Xu H., Paulasto-Kröckel M., “Thermal Cycling Reliability of Sn-Ag-Cu Solder Interconnections – Part 1: Effects of Test Parameters,” Journal of Electronic Materials, 42, (2013), pp. 1171-1183. doi:10.1007/s11664-013-2551-x.
- [Publication 4]: Hokka J., Mattila T. T., Xu H., Paulasto-Kröckel M., “Thermal Cycling Reliability of Sn-Ag-Cu Solder Interconnections – Part 2: Failure Mechanisms,” Journal of Electronic Materials, 42, (2013), pp. 963-972. doi:10.1007/s11664-013-2475-5.
- [Publication 5]: Mattila T. T., Hokka J., Paulasto-Kröckel M., “The Reliability of Micro-Alloyed SnAgCu Solder Interconnections under Cyclic Thermal and Mechanical Shock Loading,” Journal of Electronic Materials, (2014), in print. doi:10.1007/s11664-014-3298-8.
