Elektromigraation vaikutus juoteliitoksen mekaaniseen ja termomekaaniseen luotettavuuteen

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Master's thesis
Date
2012
Major/Subject
Elektroniikan valmistustekniikka
Mcode
S-113
Degree programme
Language
fi
Pages
[7] + 76 s.
Series
Abstract
Tässä työssä tutkittiin elektromigraation vaikutusta Sn3.0Ag0.5Cu -juoteliitoksen luotettavuuteen mekaanisessa ja termomekaanisessa rasituksessa. Elektromigraation vaikutus pyrittiin saamaan esiin vertaamalla suurille virrantiheyksille altistettuja kokoonpanoja hehkuttamalla esivanhennettuihin sekä käsittelemättömiin. Lisäksi työssä tutustuttiin kirjallisuusselvityksen avulla juoteliitosten keskeisiin luotettavuusongelmiin sekä kiihdytettyyn elinikätestaukseen luotettavuuden arvioinnissa. Esikäsittely DC-virtarasituksella näytti parantavan juoteliitoksen termomekaanisen rasituksen kestoa. Esikäsittelemättömien ja hehkutettujen testikokoonpanojen vikaantuminen aiheutui lähdejuotteen murtumisesta uudelleenkiteytyneiden alueiden raerajoja pitkin, mutta DC-virtarasitetut näytteet eivät vikaantuneet testissä. Eri esikäsittelyn kokeneiden testikokoonpanojen välillä havaittiin selviä eroja juotteen mikrorakenteessa ja rakenteen muutos lämpösyklauksessa näytti etenevän hitaammin DC-virtarasitetussa liitoksessa. Mekaanisessa rasituksessa puolestaan havaittiin eroja eri esikäsittelyn kokeneiden liitosten vikaantumistavassa. Sekä pudotus- että tärytystestissä esikäsittelemättömissä näytteissä murtuma kulki nielujuotteessa metallinvälisen yhdistekerroksen raja-pinnan tuntumassa ja hehkutetuissa puoliksi juotteen ja Cu6Sn5-yhdisteen välistä rajapintaa pitkin. DC-virtarasitetuissa näytteissä sen sijaan murtuma kulki lähes ainoastaan bulkkijuotteessa kaukana rajapinnoista. Oletettavasti juotteen mikrorakenteen karkeutuminen esikäsittelyissä pehmensi juotetta ja sai murtuman kulkemaan juotteessa IMC-kerrosten sijaan. Elektromigraation havaittiin parantavan juoteliitoksen termomekaanisen kuormituksen kestoa, ja mekaanisessa kuormituksessa vaikuttavan vikaantumistapaan. Tämän työn tuloksia voidaan käyttää arvioitaessa elektromigraation vaikutusta juoteliitoksen luotettavuuteen elektroniikkalaitteiden tyypillisessä käyttöympäristössä. Tuloksia voidaan hyödyntää myös yhdistelmätestien suunnittelussa, kun halutaan ottaa huomioon käyttökohteen kokemat korkeat virrantiheydet.

The focus of this work was to investigate the effect of electromigration on the mechanical and thermo-mechanical reliability of Sn3.0Ag0.5Cu solder joints. Effect of electromigration was studied by comparing samples that have had DC current stress-ing as pre-treatment to those which have experienced annealing aging or no pre-treatment at all. In addition, a literature review was conducted to analyze the main reliability issues of solder joints and accelerated life tests. The results indicated that DC current aging improved the thermo-mechanical reliability of solder joints. The failure mode of the as-reflowed and annealed samples was found to be recrystallization-assisted crack propagation in the source interconnection. The DC current stressed samples did not fail during the test. Distinct differences were observed in the microstructure between the samples that had experienced different pre-treatments. The microstructural evolution of the solder matrix was ob-served to have advanced slower in the DC current stressed samples. In mechanical loading tests differences on the failure modes were found between the samples that had experienced different pre-treatments. In as-reflowed samples under both drop and vibration tests the crack propagated in bulk solder close to the inter-face between the solder bulk and the intermetallic layer. In annealed samples the crack propagated partly along the interface. In contrast, in DC current stressed samples the crack propagated almost entirely in the bulk solder away from interfaces. Presumably coarsening of the solder microstructure during the pre-treatments softened the solder which caused the crack to propagate in the bulk instead of the IMC-interface. Electromigration was found to improve the thermo-mechanical reliability of solder joints and to affect the failure mode in mechanical loading. The results of this thesis can be utilized to evaluate the effect of electromigration on the reliability of solder joints in typical operational environment of electronic assemblies. The results can also be used in designing combined reliability tests when wanting to take the high current density the device is experiencing into consideration.
Description
Supervisor
Paulasto-Kröckel, Mervi
Thesis advisor
Karppinen, Juha
Keywords
DC-current stressing, electromigration, lead-free, multiple loading tests, reliability, DC-virtarasitus, elektromigraatio, juoteliitos, luotettavuus, lyijytön, yhdistelmätestaus
Other note
Citation