Einfluss von Poren auf die Zuverlässigkeit in CSP ...FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische...

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Einfluss von Poren auf die Zuverl Einfluss von Poren auf die Zuverl ä ä ssigkeit ssigkeit in in CSP CSP - - L L ö ö tverbindungen tverbindungen Thomas Ahrens, Fraunhofer ISIT, Itzehoe Tel. 04821 17-4605, e-mail [email protected] www.isit.fraunhofer.de www.life-leadfree.de 49. Treffen des S 49. Treffen des S ä ä chsischen chsischen Arbeitskreises Elektronik Arbeitskreises Elektronik - - Technologie Technologie im Hause im Hause Qimonda Dresden GmbH & Co. OHG

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Einfluss von Poren auf die ZuverlEinfluss von Poren auf die Zuverläässigkeitssigkeitin in CSPCSP--LLöötverbindungentverbindungen

Thomas Ahrens, Fraunhofer ISIT, ItzehoeTel. 04821 17-4605, e-mail [email protected]

www.isit.fraunhofer.de www.life-leadfree.de

49. Treffen des S49. Treffen des Säächsischen chsischen Arbeitskreises ElektronikArbeitskreises Elektronik--Technologie Technologie

im Hauseim HauseQimonda Dresden GmbH & Co. OHG

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

PP--BGA mit bleifreien Kugeln, BGA mit bleifreien Kugeln, auf OSP gelauf OSP gelöötet mit Sntet mit Sn--AgAg--CuCu

200 µm

Problem: Werkstoffreaktionen, große Poren an µVias, große Poren ohne µVias

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier LöötstellentstellenToleranz fToleranz füür Poren r Poren

Quelle: IPC-A-610D (Feb.2005) Abnahmekriterien für elektronische Baugruppen

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier LöötstellentstellenKernthema Kernthema „„ZuverlZuverläässigkeit, ssigkeit,

Einfluss von PorenEinfluss von Poren““

Testboard mit und ohne Micro-Vias

Beschreibung der Geometrie aus Röntgen und Schliffbildern

Simulation der Beanspruchungsverteilungthermisch (Finite Differenzen, ISIT) thermomechanisch/analytisch (ISIT)thermomechanisch (Finite Elemente, AVT TU Dresden)

Beschleunigte Zuverlässigkeitsprüfung durch Temperaturzyklen -40°C/+125°C (ZVE)

Analyse des Versagens durch Schliffbilder und Fraktographie(ISIT)

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Leiterplattenlayout, Leiterplattenlayout, BauelementeBauelemente

Druckschablone:1:1

Schablonendicke 125 µm

Ausgangslayout:

Bauelemente:BGA 256CSP (IPACK4)C/R0805Widerstandsarray Bauform 0805 mit 8 AnschlüssenTO220QFN

c: µVia centrisch e: µVia

excentrisch

BGA ohne µVia

CSP Pads freigestellt

ohne µVia

CSP Pads Solder MaskDefined ohne µVia

CSP Pads Solder MaskDefined mit µVia

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier LöötstellentstellenLotpastendruckLotpastendruck

EKRA E5, 55N Rakelkraft, 25 mm/sEKRA E5, 55N Rakelkraft, 25 mm/s

Druckschablone nach Druckvorgangmit Lotpastenresten

Microvia-Leiterplatte; hier: Solder Mask Defined Pads (SMD)

Schemabild: die SMD Pads nehmen mehr Lotpaste auf

NSMD-Pads SMD Pads

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier LöötstellentstellenProduktionsProduktions--TrainingsTrainings-- GerGeräätete

SMT Linie - drucken, platzieren, löten/Konvektion, AOI: DEK Horizon 02, JUKI KE 2060, rehm V8 nitro, Orbotech Vantage,automatische Handhabung von ASYS

Dampfphase: rehm condenso batch

Welle: ERSA N-Wave 330

Selektivlöten - Welle, Kolben & Induktion, Laser : ERSA ecoselect, ATN MFLA Vario, Wolf LLA 04

Batch Reinigung - 3 Ultraschallbecken + Spülung + Trocknung

Rework -PC-kontrolliert: Finetech, OKi/Metcal, PDR, ERSAHandlöten: JBC, OKi/Metcal, HAKKO

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Grundriss Grundriss LEADFREE TrainingslinieLEADFREE Trainingslinieim Fraunhofer ISIT, Itzehoeim Fraunhofer ISIT, Itzehoe

ReworkPastendruck - Bestücken - Reflowlöten (SMT)

Welle (SMT&THT)

Dampfphase

Selektiv Licht

Selektiv Welle

Rework

Rework Rework

AOI

InspektionOffline-Programmierung

Schleuse

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Leiterplattenfertigung im ZVE, Leiterplattenfertigung im ZVE, ReflowlReflowlöötprofiltprofil Nr. 1Nr. 1

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

ISIT: Einfluss des ISIT: Einfluss des Porenanteils auf das Porenanteils auf das thermische Verhaltenthermische Verhalten

Halbleiter-Direktmontage

0 2 4 6 8 100.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Abstand vom Zentrum [mm]

Höh

e [m

m]

0

0.6

1.2

1.8

2.4

3.0

3.6

4.2

4.8

5.4

6.0

0 2 4 6 8 100.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Abstand vom Zentrum [mm]

Höh

e [m

m]

0

1.600

3.200

4.800

6.400

8.000

9.600

11.20

12.80

14.40

16.00

0 2 4 6 80.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

Abstand vom Zentrum [mm]

Höh

e [m

m]

0

4.000

8.000

12.00

16.00

20.00

24.00

28.00

32.00

36.00

40.00

0 2 4 6 80.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

Abstand vom Zentrum [mm]

Höh

e [m

m]

0

4.000

8.000

12.00

16.00

20.00

24.00

28.00

32.00

36.00

40.00

TO220-Gehäuse (mit Cu Wärmesenke)

Porenfrei: ∆Tmax ≈ 6 K1 % Flächenanteil, ∆Tmax ≈ 16 K

Ohne Pore

Mit Pore

∆Tmax ≈ 34 K, Rth = 0.55 K/W

30% Flächenanteil∆Tmax ≈ 42 K, Rth = 0.68 K/W

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

zugehörend: Röntgenmikroskopische Aufnahmen „IIbga-10-quadrant“

TU Dresden:TU Dresden:Platine 2, Chip 10. Reihe 1Platine 2, Chip 10. Reihe 1SAC SAC -- AusgangszustandAusgangszustand

210-51 210-41 210-31 210-21

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

zugehörend: Röntgenmikroskopische Aufnahmen „microbga-9-quadrant“

TU Dresden:TU Dresden:Platine 1, Chip 9, Reihe 1Platine 1, Chip 9, Reihe 1SAC SAC -- AusgangszustandAusgangszustand

19-51 19-41 19-31 19-21

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

EZRT: Automatische EZRT: Automatische FehlerauswertungFehlerauswertung

LP5_Sn_BGA_B4 Profil 1LP5_Sn_BGA_B4 Profil 1--Senju_4, runde Senju_4, runde PadsPads, , µµViaVia

große Pore an Leiter-plattenseite

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

2 Balls mit Poren größer 25 %

Position A3: solder mask defined, µVia

EZRT:EZRT:2D2D--Fehlerauswertung der Poren Fehlerauswertung der Poren LP1_Sn_CSP_A3, Profil3+, Paste C6LP1_Sn_CSP_A3, Profil3+, Paste C6

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Ball 3 Riss

Leiterplatte 3013 CSP A3Leiterplatte 3013 CSP A3

SAC 460 ZyklenSAC 460 Zyklen

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

TC1: -40 to 125°C temp cycle, 15 min. ramps and dwells, 1 cycle/h

TC2: -55 to 125°C, 12 min. ramps and 3 min. dwells, 2 cycles/h

TC3: 0 to 100°C, 10 min. ramps and 5 min. dwells, 2 cycles/h

Quelle: A. Syed, Amkor 2004

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

physikalisch begründet: Arrhenius-Ansatz, Spannungsexponentempirisch: sinus hyperbolicus (beschreibt power law break down)universell, „nur“ 4 Parameter erforderlich (A1, A2, n, Q)

mögliche Darstellungen:Kriechkurve (Dehnung gegen Zeit)Festigkeit gegen VerformungsgeschwindigkeitZeitstandfestigkeit (Spannung gegen Zeit bis zum Versagen)Temperatureinfluss

Beschreibung des Beschreibung des KriechverhaltensKriechverhaltens

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅⋅⋅=

RTQAA n exp)2sinh(1 σε&

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Literaturdaten zu den Literaturdaten zu den Kriecheigenschaften Kriecheigenschaften

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Analytischer Ansatz zur Analytischer Ansatz zur BeschreibungBeschreibung

der Kriechverformung in einer der Kriechverformung in einer LLöötverbindungtverbindung

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier LöötstellentstellenHysteresekurveHysteresekurveam am CSPCSP--BallBall

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

stre

ss [M

Pa]

strain [-]

SnPb SnAgCu

Abschätzung der Kriechverformung CSP auf LP, einfaches Modell

SnPb: ∆ε = 4.1% N = 147 … 586

SnAgCu: ∆ε = 3.1% N = 258 … 1032

Berechnung mit 1/3 der Ball-Höhe

21...5.0⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∆=

εN

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Ergebnisse: Ergebnisse: SchSchäädigung an digung an CSPCSP--LLöötstellentstellen, , Vergleich mit Vergleich mit „„CSP CSP underfillunderfill““

Ausfälle ab ca. 60 Zyklen, Pad-Abrisse LP-seitig

Ausfälle nach 500 Zyklen, einzelne Durchrisse (Lot)

SnAgCu

Ausfälle ab ca. 400 Zyklen, Risse im Lot

Ausfälle nach 500 Zyklen, vermehrt Durchrisse (Lot)

SnPb

T-Schock–40°C 30min / +125°C 30min

T-Wechsel (40 min Rampe) –40°C 30min / +125°C 10min

Belastung

FR4, TG ca. 130°C CSP (ohne underfill)

FR4, hoch-TGCSP (ohne underfill)

Träger, Bauteil

AiF Projekt „CSP underfill“

AiF Projekt „Volumeneffekte“

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier LöötstellentstellenSchocktestauslagerungSchocktestauslagerung

WLWL--CSP CSP PbhaltigPbhaltig

UF3 nach 1000x T-Schock UF3 nach 1500x T-Schockbeginnende Rissbildung durchgehende Rissbildung

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier LöötstellentstellenSchocktestauslagerungSchocktestauslagerung

WLWL--CSP CSP PbfreiPbfrei

UF2 nach 1000x T-Schock

Delamination im Laminat, Rissbildung im Lot

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier LöötstellentstellenART TemperaturzyklenART Temperaturzyklen

Langsame Temperaturzyklen* zur besseren Übertragbarkeit auf Betriebszyklen; Vergleichbarkeit mit vorangegangenen AiF-IP-Projektengegeben

*EMPA EUREKA LEADFREE

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

„„ScherbelastungScherbelastung““ ==ÜÜberlagerung von Schub und berlagerung von Schub und

BiegungBiegung

Näherungen:Verschiebungsverteilung bleibt erhalten.Spannung (Kriechen) ist Funktion der Dehnrate und Temperatur

Randbedingung für FEM-Simulation:Ideale Scherung, d. h. keine Biegung der Leiterplatte

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

FEM FEM –– FiniteFinite--ElementeElemente--ModelleModellecharakteristischer Porengeometriencharakteristischer Porengeometrien(TUD Dr. H(TUD Dr. Hööfer)fer)

Ergebnisse: Die maximale Kriechdehnung liegt immer außen am Pad-Rand (oben, ggf. unten).

Poren sind nicht Orte der Rissentstehung.

Mit zunehmendem Porenvolumen nehmen Kriechdehnung# und Tragfähigkeit linear ab.

– geringere lokale Belastung und – erhöhte Nachgiebigkeit des Balls

# … lokaler, minimaler Kriechdehnungszuwachs im Kriechband

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Im Gefüge zeigen rekristallisierteZonen die Bereiche hoher Verformung an. SnPb, LIMI, Polarisationskontrast

FEM Ergebnis der Kriechdehnungen (TUD Dr. Höfer)

Experimentelle Ergebnisse Experimentelle Ergebnisse und FEMund FEM

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Kriechdehnungen fKriechdehnungen füür y = 0: r y = 0: ohne Poreohne Pore

Modellrechnung

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Kriechdehnungen fKriechdehnungen füür y = 0: r y = 0: Pore obenPore oben

Modellrechnung, Fall c

0,000,010,020,030,040,050,060,070,08

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Porenanteil [%]

Krie

chde

hnun

g

a

b

c

d

e, f

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Diese Verringerung der Diese Verringerung der Kriechdehnung erscheint Kriechdehnung erscheint

vorteilhaftvorteilhaft……

Modellrechnung

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Ball 4 Ball 5

Leiterplatte 1009 CSP A2Leiterplatte 1009 CSP A2

SnPbSnPb 500 Zyklen500 Zyklen

Riss RissDeformationszone

BallBall--DurchmesserDurchmesser

PorendurchmesserPorendurchmesser tragender Durchmessertragender Durchmesser

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Ball 7 Ball 8Riss Riss

Deformationszone

Leiterplatte 3013 CSP A2Leiterplatte 3013 CSP A2

SAC 460 ZyklenSAC 460 Zyklen

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Belastung: T-Wechsel (40 min Rampe) –40°C 30 min / +125°C 10 min

SnAgCu, mit µVias, 500 Zyklen, Riss unten

ErmErmüüdungsschdungsschäädigung digung im im CSPCSP--BallBall

SnAgCu, ohne µVias, 500 Zyklen, Riss oben

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ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

RisslRissläängen und Porengrngen und Porengrößößen en aus Schliffbildern aus Schliffbildern

705 A2 (oben)

0

50

100

150

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ball

Läng

e [µ

m]

0

20

40

60

80

100

Ant

eil k

aput

t [%

]

PorendurchmesserRisslänge% kaputt

705 A3 (oben)

0

50

100

150

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ball

Läng

e [µ

m]

0

20

40

60

80

100

Ante

il ka

putt

[%]

PorendurchmesserRisslänge% kaputt

705 A2 (unten)

0

50

100

150

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ball

Läng

e [µ

m]

0

20

40

60

80

100

Ant

eil k

aput

t [%

]

PorendurchmesserRisslänge% kaputt

Ohne µVias (einzelne Poren oben)

705 A3 (unten)

0

50

100

150

200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ball

Läng

e [µ

m]

0

20

40

60

80

100

Ante

il ka

putt

[%]

PorendurchmesserRisslänge% kaputt

Mit µVias (regelmäßige Poren unten)

Page 35: Einfluss von Poren auf die Zuverlässigkeit in CSP ...FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Zuverlässigkeit bleifreier Lötstellen Risslängen und Porengrößen aus Schliffbildern

FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Risseinleitung in AbhRisseinleitung in Abhäängigkeit ngigkeit von der Ballvon der Ball--Position Position

705 A2 Reihe 2Risslängen in diagonalen Ecken addiert

020406080

100120140160180200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ball Nr.

Ris

slän

ge [µ

m]

OL+UR

OR+UL

705 A2 Reihe 1Risslängen in diagonalen Ecken addiert

020406080

100120140160180200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ball Nr.

Ris

slän

ge [µ

m]

OL+UR

OR+UL

705 A3 Reihe 1Risslängen in diagonalen Ecken addiert

020406080

100120140160180200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ball Nr.

Ris

slän

ge [µ

m]

OL+UR

OR+UL

705 A3 Reihe 2Risslängen in diagonalen Ecken addiert

020406080

100120140160180200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ball Nr.R

issl

änge

[µm

]

OL+UR

OR+UL

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Mittelwerte der GesamtrisslMittelwerte der Gesamtrissläängenngennach 250 Zyklen nach 250 Zyklen -- SACSAC

1 2 3 4 5

A2 oben

A2 unten

A3 obenA3 unten

0

50

100

150

200R

issl

änge

[µm

]

Ball-Reihe Nr.

Rissposition

4 SAC 250 Zyklen NiAu 4 - Mittelwerte der Gesamtrisslängen

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5

A2 oben

A2 unten

A3 obenA3 unten

0

50

100

150

200

Ris

slän

ge [µ

m]

Ball-Reihe Nr.

Rissposition

8 bleifrei NiAu 6 - Mittelwerte der Gesamtrisslängen 250 Zyklen

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5

A2 oben

A2 unten

A3 oben

A3 unten

0

50

100

150

200

Ris

slän

ge [µ

m]

Ball-Reihe Nr.

Rissposition

21 bleifrei chem. Sn 6 - Mittelwerte der Gesamtrisslängen

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5

A2 oben

A2 unten

A3 obenA3 unten

0

50

100

150

200

Ris

slän

ge [µ

m]

Ball-Reihe Nr.

Rissposition

29 SAC Typ5 250 chem. Sn 10 - Mittelwerte der Gesamtrisslängen

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

Page 37: Einfluss von Poren auf die Zuverlässigkeit in CSP ...FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Zuverlässigkeit bleifreier Lötstellen Risslängen und Porengrößen aus Schliffbildern

FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

GrGrößößter Riss (Gesamtlter Riss (Gesamtläänge) nge) nach 250 Zyklen nach 250 Zyklen -- SACSAC

1 2 3 4 5A2 oben

A2 untenA3 oben

A3 unten

020406080

100120140160180200

Ris

slän

ge [µ

m]

Ball-Reihe Nr.

Bauteil / Rissposition

4 SAC 250 Zyklen NiAu 4 - größte Gesamtrisslänge

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5

A2 obenA2 unten

A3 obenA3 unten

0

50

100

150

200

Ris

slän

ge [µ

m]

Ball-Reihe Nr.

Bauteil / Rissposition

8 SAC 250 Zyklen NiAu 6 - größte Gesamtrisslänge

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5

A2 obenA2 unten

A3 obenA3 unten

0

50

100

150

200

Ris

slän

ge [µ

m]

Ball-Reihe Nr.

Bauteil / Rissposition

21 SAC 250 Zyklen chem. Sn 6 - größte Gesamtrisslänge

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5

A2 obenA2 unten

A3 obenA3 unten

0

50

100

150

200

Ris

slän

ge [µ

m]

Ball-Reihe Nr.

Bauteil / Rissposition

29 SAC Typ5 250 chem. Sn 10 - größte Gesamtrisslänge

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

15%-Pore

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

GrGrößößter ter „„Anteil kaputtAnteil kaputt““nach 250 Zyklen nach 250 Zyklen -- SACSAC

1 2 3 4 5A2 oben

A2 untenA3 oben

A3 unten0

20

40

60

80

100

Ant

eil k

aput

t [%

]

Ball-Reihe Nr.Bauteil /

Rissposition

8 SAC 250 Zyklen NiAu 6 - größter Anteil kaputt

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5A2 oben

A2 untenA3 oben

A3 unten0

20

40

60

80

100

Ant

eil k

aput

t [%

]

Ball-Reihe Nr.Bauteil /

Rissposition

4 SAC 250 Zyklen NiAu 4 - größter Anteil kaputt

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5A2 oben

A2 untenA3 oben

A3 unten0

20

40

60

80

100

Ant

eil k

aput

t [%

]

Ball-Reihe Nr.Bauteil /

Rissposition

21 bleifrei chem. Sn 6 - größter Anteil kaputt

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5A2 oben

A2 untenA3 oben

A3 unten0

20

40

60

80

100

Ant

eil k

aput

t [%

]Ball-Reihe Nr.

Bauteil / Rissposition

29 SAC Typ5 250 chem. Sn 10 - größter Anteil kaputt

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

15%-Pore

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FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier LöötstellentstellenMittelwerte der GesamtrisslMittelwerte der Gesamtrissläängenngennach 460 Zyklen nach 460 Zyklen -- SACSAC

1 2 3 4 5

A2 obenA2 unten

A3 obenA3 unten

0

50

100

150

200

Ris

slän

ge [µ

m]

Ball-Reihe Nr.

Rissposition

705 SAC 500 Zyklen NiAu 4/3+8 - Mittelwerte der Gesamtrisslängen

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 45

A2 oben

A2 unten

A3 obenA3 unten

0

50

100

150

200

Ris

slän

ge [µ

m]

Ball-Reihe Nr.

Rissposition

3007 bleifrei chem. Sn 4 / 1- Mittelwerte der Gesamtrisslängen

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5

A2 oben

A2 untenA3 oben

A3 unten

0

50

100

150

200

Ris

slän

ge [µ

m]

Ball-Reihe Nr.

Rissposition

3013 bleifrei NiAu 4/1 - Mittelwerte der Gesamtrisslängen

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

Page 40: Einfluss von Poren auf die Zuverlässigkeit in CSP ...FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Zuverlässigkeit bleifreier Lötstellen Risslängen und Porengrößen aus Schliffbildern

FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier LöötstellentstellenGrGrößößter Riss (Gesamtlter Riss (Gesamtläänge) nge) nach 460 Zyklen nach 460 Zyklen -- SACSAC

12

34

5

A2 oben

A2 unten

A3 obenA3 unten

0

50

100

150

200

Riss

läng

e [µ

m]

Ballreihe Nr.

Bauteil / Rissposition

705 bleifrei NiAu 4/3+8 - größte Gesamtrisslänge

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5

A2 obenA2 unten

A3 obenA3 unten

0

50

100

150

200

Ris

slän

ge [µ

m]

Ball-Reihe Nr.

Bauteil / Rissposition

3007 bleifrei chem. Sn 4 / 1 - größte Gesamtrisslänge

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5A2 oben

A2 untenA3 oben

A3 unten

0

50

100

150

200

Ris

slän

ge [µ

m]

Ball-Reihe Nr.

Bauteil / Rissposition

3013 bleifrei NiAu 4/1 - größte Gesamtrisslänge

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

Page 41: Einfluss von Poren auf die Zuverlässigkeit in CSP ...FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Zuverlässigkeit bleifreier Lötstellen Risslängen und Porengrößen aus Schliffbildern

FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier LöötstellentstellenGrGrößößter ter „„Anteil kaputtAnteil kaputt““nach 460 Zyklen nach 460 Zyklen -- SACSAC

12

34

5

A2 oben

A2 unten

A3 obenA3 unten

0

20

40

60

80

100

Ante

il ka

putt

[%]

Ballreihe Nr.

Bauteil / Rissposition

705 bleifrei NiAu 4/3+8 - größter Anteil kaputt

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5A2 oben

A3 oben0

20

40

60

80

100

Ant

eil k

aput

t [%

]

Ball-Reihe Nr.Bauteil /

Rissposition

3007 bleifrei chem. Sn 4 / 1 - größter Anteil kaputt

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

1 2 3 4 5A2 oben

A2 untenA3 oben

A3 unten

0102030405060708090

100

Ant

eil k

aput

t [%

]

Ball-Reihe Nr.

Bauteil / Rissposition

3013 bleifrei NiAu 4/1 - größter Anteil kaputt

A2 obenA2 untenA3 obenA3 unten

Page 42: Einfluss von Poren auf die Zuverlässigkeit in CSP ...FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Zuverlässigkeit bleifreier Lötstellen Risslängen und Porengrößen aus Schliffbildern

FA 7.2 IP: FA 7.2 IP: Volumeneffekte und technische Volumeneffekte und technische

ZuverlZuverläässigkeit bleifreier Lssigkeit bleifreier Löötstellentstellen

Zusammenfassung:Zusammenfassung:Einfluss von Poren Einfluss von Poren auf Produktqualitauf Produktqualitäät und t und ––zuverlzuverläässigkeitssigkeit

Idealisiertes Modell (analytischer „1 Volumen-Element“ – Ansatz) anwendbar für Zweipoler, Bauelemente mit Anschlussbeinchen modifiziert anwendbar für flächige Lötverbindungen und für area-array Lötverbindungen (CSP, BGA)Werkzeug zur Abschätzung des globalen Verlaufs von Spannung und Dehnung

FEM-SimulationBerechnete Dehnungsverteilung entspricht den Gefüge-ÄnderungenErgebnisse zeigen eine Dehnungskonzentration auf der Porenseite

ErgebnisseEinzelne Poren (CSP) können schon bei 15% Anteil schädlich sein. Regelmäßige Poren (CSP) setzen die Lebensdauer herab. Pb-freies Lot belastet die Umgebung der Lötverbindung stärker: Vorsicht bei raschen Temperaturwechseln.