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Investigation of mechanical behavior and failure mechanisms in miniaturized solder interconnects

Magnien, Julien (2015) Investigation of mechanical behavior and failure mechanisms in miniaturized solder interconnects.
Dissertation, Universität Wien. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Ipser, Herbert

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29442.11345.580966-4
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Abstract in Englisch

In this PhD thesis isothermal static and dynamic behavior of the commonly used Sn3.5Ag0.75Cu solder alloy was investigated by using model solder joints and commercial SMD capacitors (CC 0805) which is recently used in automotive industry. Still due to the high number of potential lead free solders, detailed investigations on the mechanical and thermal response of industrially relevant solder alloys are missing. Model solder joints of Cu/Sn3.5Ag0.75/Cu were used for characterization of the stress-strain, creep and thermal strain properties of the solder with respect to microstructural and constraint effects. The effect of IMC growth and microstrcutural changes on solder properties is much stronger at miniaturized solder joints than in bulk materials. The reliability and functionality of the SMD is primarily associated with the life time of the solder joint. Thus the fatigue response of the lead free solder joints at the relevant length scale and temperature under low and high cycle mechanical loading was investigated by using commercial SMD capacitors. The main influencing factors on mechanisms of solder fatigue such as joint size, microstructure and testing temperature were investigated. Fatigue lifetime and the failure modes of the surface mounted solder joint subjected to high frequency mechanical loading were discussed and compared with thermally induced solder fatigue failure observed in the SMD capacitors. Testing at elevated temperature and after long term aging at 150°C resulted in a clear change of crack path and fracture mode, which is equal to the failure mode in the solder joints as observed due to traditional thermal cyclic procedures. The extended knowledge gained in this thesis shall contribute to a better understanding of solder joint properties in real structures and their thermal and mechanical response under operational conditions. The experimental results provide the basis for establishment of improved material models for Finite Element Simulations and lifetime prediction of solder joints. The results may allow determination of the weak sites in design and production of SMDs integrated in complex systems for mobile and automotive applications. The access to new design tools which enable quicker and more reliable designs, with a reduction of rejection rates and better product quality would be conceivable.

Schlagwörter in Englisch

Microelectronics / Fatigue Testing / Reliability / Solder Technology / Device Characterization

Abstract in Deutsch

Die Dissertation behandelt das statische und dynamische isotherme Verhalten von Sn3.5Ag0.75Cu Modell Verbindungen und kommerziellen SMD Kondensatoren (CC 0805), die vor allem in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Das mechanische und thermische Verhalten industriell relevanter Lötlegierungen ist durch die hohe Anzahl an möglichen bleifreien Verbindungen nicht ins Detail untersucht. Zur Charakterisierung der Spannung-Dehnung, Kriech und thermischen Dehnungseigenschaften des Lotes wurden Modell Lotverbindungen Cu/Sn3.5Ag0.75/Cu, hinsichtlich der Untersuchung mikrostruktureller Eigenschaften und miniaturisierungs Effekte herangezogen. Der Einfluss von IMC Wachstum und mikrostruktureller Änderungen auf die Materialeigenschaften ist bei miniaturisierten Lötstellen stärker als in Bulkmaterialien. Die Zuverlässigkeit und die Funktionalität der SMDs stehen hauptsächlich mit der Lebensdauer der Lötverbindung in Zusammenhang. Das Ermüdungsverhalten der Lötstellen in kommerziellen SMD-Kondensatoren wird im entsprechenden Maßstab unter niedrigen und hohen isothermen mechanischen zyklischen Belastungen untersucht. Wichtige Einflussgrößen wie Mikrostruktur und Testtemperatur standen hierbei im Fokus der Untersuchungen. Die Lebensdauer und die resultierenden Schadensbilder der Lötstellen unter hochfrequenter mechanischer Belastungen wurden diskutiert und mit thermisch induzierten Lot Ermüdungsbrüchen in SMD-Kondensatoren verglichen. Die Testung bei erhöhten Temperaturen und eine Langzeitalterung bei 150°C führten zu einer markanten Veränderung des Bruchverlaufs, welche vergleichbar mit Rissverläufen in Lötstellen belastet durch herkömmliche thermische zyklische Verfahren ist. Die in dieser Arbeit gewonnen Kenntnisse führen zu einem verbessertes Verständnis von Lötstellen in realen Komponenten unter thermischen und mechanischen Randbedingungen. Die Versuchsergebnisse bilden die Grundlage für die Erstellung von verbesserten Materialmodellen für Finite Elemente Simulationen und Lebensdauervorhersage von Lötstellen. Diese ermöglichen eine Bestimmung von Schwachstellen in Design und Produktion der komplexen SMD Bauteilen integriert in Mobil und Automobilanwendungen. Der Zugriff auf neue Design-Tools, für die Entwicklung schnellerer und zuverlässigerer Designs mit einer Reduzierten Ausschussrate und einer besseren Produktqualität wäre an denkbar.

Schlagwörter in Deutsch

Mikroelektronik / Ermüdungsprüfung / Zuverlässigkeit / Löt Technologie / Bauteilcharakterisierung

Dokumentenart: Hochschulschrift (Dissertation)
AutorIn: Magnien, Julien
Titel: Investigation of mechanical behavior and failure mechanisms in miniaturized solder interconnects
Umfangsangabe: 151 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Publikationsjahr: 2015
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Ipser, Herbert
2. BetreuerIn: Khatibi , Golta
BeurteilerIn: Danzer, Robert
2. BeurteilerIn: Suhir, Ephraim
Klassifikation: 33 Physik > 33.62 Mechanische Eigenschaften, akustische Eigenschaften, thermische Eigenschaften
33 Physik > 33.20 Moderne Physik: Allgemeines
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
AC-Nummer: AC12644985
Dokumenten-ID: 37284
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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