Creep in Microelectronic Solder Joints: FE vs ... · 24 Technische Universität Berlin Fakultät...
Transcript of Creep in Microelectronic Solder Joints: FE vs ... · 24 Technische Universität Berlin Fakultät...
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Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 2006
Creep in Microelectronic Solder Joints:
FE vs. Semianalytical Methodsby
W.H. Müller, T. Hauck
6th German-Greek-Polish Symposium
Recent Advances in Mechanics
September 17-21, 2007
Hotel Thraki Palace, Alexandroupolis
Technische UniversitTechnische Universitäät Berlint BerlinInstitut fInstitut füür Mechanikr Mechanik
Lehrstuhl fLehrstuhl füürr KontinuumsmechanikKontinuumsmechanikund Materialtheorieund Materialtheorie
FreescaleFreescale HalbleiterHalbleiterDeutschland GmbHDeutschland GmbHSchatzbogen 7Schatzbogen 781829 M81829 Müünchennchen
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Outline
Motivation and problem statement
Model 1: A clamped 1D-solder column
Coupling of the 1D-model with FE-simulations
Model 2: A 1D-solder column with a free end
Conclusions and outlook
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Outline
Motivation and problem statement
Model 1: A clamped 1D-solder column
Coupling of the 1D-model with FE-simulations
Model 2: A 1D-solder column with a free end
Conclusions and outlook
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Typical SMT Components I
• The trend towards extreme miniaturisationchip carriersLCDs and
displays
resistors andcapacitors
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Typical SMT Components II• MiniMELF ceramic resistor:
aging of SnPb solderfalse alignment of parts on the PC-Boardthermal mismatch of materials
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Typical SMT Components III• Ball Grid Arrays (BGAs):
micro-structural coarsening of solder during thermal aginginterface cracks
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SMT solder joints: Formation of interface cracksspinodal decompositionmicrostructural coarsening
Ball Grid Arrays and solder ball before and after 4000 temperature cyclesAging @ RT after (a) 2h, (b) 17d and (c) 63d
(a) after first reflow, (b) 3h and (c) 300 h @ 125°CMELF miniature resistor and solder joint before and after 3000 temperature cycles
Microstructural Change in Eutectic SnPb (and Leadfree ) Solder
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Lifetime assessment of a typicalmicroelectronic package and its solder joints
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FE analysis performed in order to predict the lifetime andreliability of the solder joint of a TQFP
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Chambers used for TCTs together with experimentally determinedtemperature profiles of a -65°C to 150°C test
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Outline
Motivation and problem statement
Model 1: A clamped 1D-solder column
Coupling of the 1D-model with FE-simulations
Model 2: A 1D-solder column with a free end
Conclusions and outlook
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Model 1:Firmly clampedsolder column:
additive decomposition of 1D strain rates:
crtheltot εεεε &&&& ++=
0≡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
•
ll
tot∆ε& with:
•
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=Eelσε& ( )( )tTEE = , (elastic strain rate)
( )( )tTαα = ,( )•= Τth αε& (thermal strain rate)
( )[ ] ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=TCCC C
cr43
21 expsinh σε& (creep strain rate)
Solution of the resulting ODE to obtain the stress resulting from a prescribed TCT:
( )tTT =
0=++ crthel εεε &&&( )tσσ =
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Typical Temperature Profiles
Temperature Cycle Tests (TCT): Temperature Shock Test (TST):
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Typical Stress-Strain-Hysteresis for Eutectic SAC Predicted by using“Generic” Creep Data from Dudek / Schubert
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Attempts of Lifetime Prediction:Empirical Coffin-Manson Equations
Creep energy density based:
( )Bacccr
f WAN ∆ =
Creep strain based:
( )bacccr
f aN ε =
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Influence of Ramp Time demonstrated for SnAg2.7Cu0.4Ni0.05
• Decreasing ramp times lead to higher energy dissipation• Shock test has a high potential for destruction > 20 %
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Influence of Hold Time demonstrated for SnAg2.7Cu0.4Ni0.05
• Increasing hold times increases energy dissipation slightly• Impact of hold time less than impact of ramp time
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Material data used (I)
Young’s modulus for Sn95.8Ag3.5Cu0.7 after Dudek EPTC 2005 tutorial, pg. 4 used for Innolot, SnAg3.0Cu0.5, SnAg2.7Cu0.4Ni0.05:
( )K 293K
GPa2933734750GPa 50 −
−−
−= TE
Young’s modulus for SnPb37 after Dudek EPTC 2005, pg. 4 tutorial:
( )K 223K
GPa2234231936GPa 36 −
−−
−= TE
CTE for SnPb40Ag1 after Dudek EPTC 2005, pg. 4 tutorial used forSnPb:
( )K
ppmK 293293423
9.2624 24 ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
−−
−= Tα
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Material data used (II)
CTEs used for Innolot, SnAg3.0Cu0.5, SnAg2.7Cu0.4Ni0.05 from Wilke (SAG):
( )( ) Innolot , K
ppm19.951K 2730.0323 +−= Tα
( )( ) .5SnAg3.0Cu0 , K
ppm19.838K 2730.0092 +−−= Tα
( )( ) .4Ni0.05SnAg2.7Cu0 , K
ppm19.694K 2730.0243 +−= Tα
Creep constants used for SnPb from Darveaux (SnPb36Ag0.2), for Innolot, SnAg3.0Cu0.5, SnAg2.7Cu0.4Ni0.05 from Röllig, Wiese, Dudek:
dε/dt=C1* sinh(SIG/C2)^C3 *exp(-C4/RT[K])
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Stress-Strain-Hystereses Predicted for Various SAC/SAC+
-40
-20
0
20
40
60
80
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008
mechanical strain εel + εcr
stre
ss [M
Pa]
SnAg3.5 [4]
generic eutectic SAC [2]
SnAgCu (eutectic) [7]
SnAg3.0Cu0.5 [5]
SnAg3.8Cu0.7 [6]
SnAg3.9Cu0.6 [4]
SnAg3.9Cu0.6 [8]
SnAg4.0Cu0.5 [4]
SnAg1.3Cu0.2Ni0.05 [5/9]
SnAg1.3Cu0.5Ni0.05 [5/9]
SnAg2.7Cu0.4Ni0.05 [5/9]
SnAg3.8Cu0.7Bi3.0Sb1.4Ni0.2 [5]
Pb97Sn3 [10]
SnPb36Ag2 / SnPb40 [11]
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Dissipated Energy Densities Predicted for Various SAC/SAC+
00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1
SnAg3
.5 [4]
gene
ric eu
tectic
SAC [2
]
SnAgC
u (eu
tectic
) [7]
SnAg3
.0Cu0
.5 [5]
SnAg3
.8Cu0
.7 [6]
SnAg3
.9Cu0
.6 [4]
SnAg3
.9Cu0
.6 [8]
SnAg4
.0Cu0
.5 [4]
SnAg1
.3Cu0
.2Ni0.
05 [5
,9]
SnAg1
.3Cu0
.5Ni0.
05 [5
,9]
SnAg2
.7Cu0
.4Ni0.
05 [5
,9]
SnAg3
.8Cu0
.7Bi3.
0Sb1
.4Ni0.
2 [5,9
]Pb9
7Sn3
[10]
SnPb3
6Ag2
/SnP
b40 [
11]
ener
gy d
ensi
ty [M
J/m
3 ]
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Outline
Motivation and problem statement
Model 1: A clamped 1D-solder column
Coupling of the 1D-model with FE-simulations
Model 2: A 1D-solder column with a free end
Conclusions and outlook
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Profile of a Slow TCT:45 min Ramp in between –40°C and 150°C
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Sn59Pb40Ag1: Secondary double power+ primary law after Schubert
Sn95.5Ag3.8Cu0.7Secondary sinh+ primary creep law after Schubert
SnAg2.7Cu0.4Ni0.05SnAg2.5Cu0.5Secondary sinh after Röllig/Wiese
Shear stress vs. shear strain3rd slow thermal cycle (45 min ramp)150°C to –40 °C
Shear strain
She
ar s
tress
(MP
a)
∆ γ = 0.87%nach R. Dudek
SnAg3.8Cu0.7Schubert
∆ γ = 0.65%
SnAg2.5Cu0.5Röllig/Wiese
SnAg2.7Cu0.4Ni0.05Röllig/Wiese
∆ γ = 1.8%
CeramicCapacitor 0402
INNOLOT-1Röllig/Wiese
∆ γ = 0.5%
Sn63Pb37Grivas
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highest stressesfor Innolot
higheststrainrange
for SnPb
higher stressesthan FE
lower strainsthan FE
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Temperature profiles
TS-40°C / 125°C: TS-40°C / 150°C:
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TS-40°C/125°C
Increasingthe Hysteresis=EnergyDissipation
TS-40°C/150°C
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Results for Different Thermal Cycles SAC 305 vs. INNOLOTE
nerg
y D
issi
patio
n D
ensi
ty (N
mm
/mm
³)
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
TS 125…
-40 C
Innolo
t,TS 12
5…-40
C
TS 90…
-20 C
TS 150…
-40 C
TW 150…
-40 C
Creep Energy
Creep energy averaged along the solder gap underneath CR1206
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Rescaling
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TS-40°C/125°C
Increase of thestrain range
TS-40°C/150°C
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Results for different Thermal Cycles SAC 305 vs. INNOLOT
Equi
vale
nt c
yclic
cre
ep s
trai
n (%
)
0.000
0.500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
TS 125…
-40 C
Innolo
t,TS 12
5…-40
C
TS 90…
-20 C
TS 150…
-40 C
TW 150…
-40 C
Creep Strain
Creep strain averaged along the solder gap underneath CR1206
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Rescaling
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Outline
Motivation and problem statement
Model 1: A clamped 1D-solder column
Coupling of the 1D-model with FE-simulations
Model 2: A 1D-solder column with a free end
Conclusions and outlook
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crtheltot εεεε &&&& ++=
Model 2:1D solder beamdisplacementcontrolled, at afixed temperature
additive decomposition of 1D strain rates:
( )[ ] ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=TCCC C
cr43
21 expsinh σε&
with:
Numerical solution of the resulting ODE for the stress for a prescribed external displacement:
( )TEE = ,
( )tl∆
Eel
σε&
& =
( )( ) 0=−= •
refth TΤαε&
0≠⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
•
ll
tot∆ε&
(elastic strain rate)
(thermal strain rate)
(creep strain rate)
( )tll ∆∆ =( )tσσ =•
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=ll∆
crthel εεε &&& ++
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Impact of Temperature demonstrated for SnAg3.5
0 200 400 600 800 1000 1200Zeit @secD
-0.0015-0.001-0.0005
00.00050.001
0.00150.002
gnunheD
@-D
-0.002 -0.001 0 0.001 0.002Dehnung -
-100
-50
0
50
100
gnunnapS@
aPM
DT decreasesT decreases
• Elastic properties dominate at low temperatures• Size of hysteresis (= energy dissipation) depends on temperature
• Optimum temperature for maximum dissipation
@ D
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Impact of Temperature demonstrated for SnAg3.5
RT
• Optimum temperature leading to maximum dissipation can now be estimated for a given solder
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Impact of Loading Frequency demonstrated for SnAg3.5
0 200 400 600 800 1000 1200Zeit @secD
-0.0015-0.001-0.0005
00.00050.001
0.00150.002
gnunheD
@-D
• Elastic properties dominate at high frequencies• Frequency range for best testing of elastic or inelastic material
properties can now be estimated
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Dissipated energy densities for various solderssubjected to a loading rate
ε0 = +/- 0.002
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
SnAg3
.5 [4]
gene
ric eu
tectic
SAC [2]
SnAgC
u (eu
tectic
) [7]
SnAg3
.0Cu0
.5 [5]
SnAg3
.8Cu0
.7 [6]
SnAg3
.9Cu0
.6 [4]
SnAg3
.9Cu0
.6 [8]
SnAg4
.0Cu0
.5 [4]
SnAg1
.3Cu0
.2Ni0.
05 [5
,9]
SnAg1
.3Cu0
.5Ni0.
05 [5
,9]
SnAg2
.7Cu0
.4Ni0.
05 [5
,9]
SnAg3
.8Cu0
.7Bi3.
0Sb1
.4Ni0.
2 [5,9
]Pb9
7Sn3
[10]
SnPb3
6Ag2
/SnPb4
0 [11
]en
ergy
den
sity
[MJ/
m3 ]
0 200 400 600 800 1000 1200Zeit @secD
-0.0015-0.001-0.0005
00.00050.001
0.00150.002
gnunheD
@-D
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Outline
Motivation and problem statement
Model 1: A clamped 1D-solder column
Coupling of the 1D-model with FE-simulations
Model 2: A 1D-solder column with a free end
Conclusions and outlook
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Conclusions and Outlook
• Simple 1D-models can be used to model creep strain and dissipated energy density accumulation of ductile solders
• The impact of thermal cycle test parameters on creep dissipationhas been studied in great detail at a minimum of computationaleffort
• In comparison to time-consuming FE-analyses of solder joints inmicroelectronic components it turns out that the stresses predicted from the 1D-models are too small
• A re-calibration procedure can be applied to generate more accurate dissipation data
• Experiments are currently underway to link these to lifetime equations for the various new lead-free solders currently considered by industry