University of Oulu

Reliability and prognostic monitoring methods of electronics interconnections in advanced SMD applications

Saved in:
Author: Putaala, Jussi1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 4.9 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526207605
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2015
Publish Date: 2015-03-17
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 27 March 2015, at 12 noon
Tutor: Docent Antti Uusimäki
Professor Jyrki Lappalainen
Reviewer: Docent Aulis Tuominen
Doctor Jussi Särkkä
Opponent: Professor Leszek Golonka
Doctor Jussi Särkkä
Description:

Abstract

In the interest of improving reliability, electrical monitoring methods were utilized to observe the degradation of electronics interconnections while simultaneously characterizing accelerated testing-induced changes in test structures by means of optical examination, X-ray, scanning acoustic microscopy and scanning electron microscopy. To improve the accuracy of lifetime prediction for the PCSB interconnections investigated in this work, a modified Engelmaier’s solder joint lifetime prediction model was recalibrated.

The results show that with most of the presented lead-free (SAC387, SAC405, SAC-In) solder and structure combinations with a large global thermal mismatch (ΔCTE > 10 ppm/°C), lifetime was adequate in the presented TCT ranges of 0‒100 °C and −40‒125 °C, while the amount of non-preferred crack types, i.e. ceramic cracks, was minimized.

Degradation of interconnections was characterized using RF measurements both during TCT and intermittently during TCT breaks. A grounded coplanar waveguide was arranged either in a straight back-to-back configuration or together with a filter module with a passband at 22‒24 GHz—both with two transitions—and characterized during cycling breaks up to 25 GHz and 30 GHz, respectively. Besides off-cycle measurements, in-cycle measurements were done on an antenna structure with an in-band at 10‒11 GHz, up to 14 GHz. The results show that the signal response was initially affected at some frequencies as short-duration (< 1 s) glitches in the monitored signal when measured during cycling in 0‒100 °C TCT. Later on the degradation could be observed in the whole frequency band as TCT was continued.

Development of the semi-empirical lifetime prediction model for PCSB interconnections showed the temperature range dependency of the correction term to be a second order polynomial instead of a logarithmic one. For components with PCSB BGA, promising prediction results were achieved which differed from the realized lifetime by less than 0.5% at best.

see all

Tiivistelmä

Elektroniikkaliitosten rikkoontumisen seurantaan tarkoitettuja sähköisiä monitorointimenetelmiä kehitettiin samanaikaisesti karakterisoimalla testauksella liitoksiin aikaansaatuja muutoksia optisesti, akustisella mikroskoopilla sekä röntgen- ja pyyhkäisyelektronimikroskoopeilla. Liitosten eliniän ennustamiseen soveltuva muokattu Engelmaierin malli kalibroitiin PCSB-liitosten elinikäennusteen tarkkuuden parantamiseksi.

Tulosten perusteella useimmille tässä työssä käytetyille lyijyttömille (SAC387, SAC405, SAC-In) juotteille ja suuren termisen epäsovituksen (ΔCTE > 10 ppm/°C) rakenneyhdistelmille eliniät lämpösyklaustesteissä 0‒100 °C ja −40‒125 °C alueilla olivat riittävät ja haitallisimpien murtumien, eli keraamimurtumien, määrä saatiin minimoiduksi.

RF-mittauksia käytettiin liitosten vikaantumisen seurantaan sekä lämpösyklauksen aikana että syklausten välillä. Maadoitettua koplanaarista aaltojohtoa käytettiin joko suoraan perättäiskytkennässä tai suodatinmoduulin kanssa, jonka päästökaista oli 22–24 GHz. Rakenteet karakterisoitiin syklausten välillä 25 GHz ja 30 GHz asti tässä järjestyksessä. Näiden mittausten lisäksi 10–11 GHz kaistalla toimivaa antennirakennetta karakterisoitiin syklauksen aikana 14 GHz asti. Tulokset osoittavat, että signaalivasteen muutos ilmenee aluksi joillakin taajuuksilla lyhyinä, alle 1 s mittaisina häiriöpiikkeinä, 0‒100 °C syklauksen aikana. Syklauksen edetessä vasteen huononeminen havaitaan myöhemmin koko mittausalueella.

Puolikokeellista elinikäennustemallia tarkasteltaessa havaittiin, että PCSB-liitosten lämpötila-alueesta riippuvia korjauskertoimia kuvasivat logaritmisen riippuvuuden sijaan parhaiten toisen asteen polynomifunktiot. PCSB BGA ‒rakenteille saadun ennusteen ja toteutuneen eliniän välinen ero oli pienimmillään alle 0.5 %.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0760-5
ISBN Print: 978-952-62-0759-9
Issue: 521
Subjects:
BGA
RF
TCT
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.