Lifetime prediction for solder die-attach in power applications by means of primary and secondary creep

Lebensdauervorhersage für (SnAgCu- und SnPb-) aufgelötete Leistungshalbleiter mittels primärem und sekundärem Kriechen

  • The objective of this thesis was to accurately check and improve the models existing for eutectic solder alloys used in simulation tools. Creep deformation,which is the most important deformation mode of solders, of two solder alloys, the widely used eutectic SnPb and the environmentally friendly alternative solder alloy SnAgCu was tested. It was shown that it is necessary to model two different stages of this high temperature induced mechanism: To improve the current material definition, primary creep must be implemented in the FE-software in addition to the existing secondary creep models. This thesis shows how it is possible to test creep behaviour under cyclic loading conditions with a test specimen of novel design. So, primary creep was observed and reoccurs cyclically under such test conditions. Furthermore, steady state creep is also always observed. A Constitutive equation combining both primary and secondary creep was given and verified. This model was implemented in FE-code Ansys, and after performing different kinds ofThe objective of this thesis was to accurately check and improve the models existing for eutectic solder alloys used in simulation tools. Creep deformation,which is the most important deformation mode of solders, of two solder alloys, the widely used eutectic SnPb and the environmentally friendly alternative solder alloy SnAgCu was tested. It was shown that it is necessary to model two different stages of this high temperature induced mechanism: To improve the current material definition, primary creep must be implemented in the FE-software in addition to the existing secondary creep models. This thesis shows how it is possible to test creep behaviour under cyclic loading conditions with a test specimen of novel design. So, primary creep was observed and reoccurs cyclically under such test conditions. Furthermore, steady state creep is also always observed. A Constitutive equation combining both primary and secondary creep was given and verified. This model was implemented in FE-code Ansys, and after performing different kinds of simulation, the necessity of simulating primary creep was demonstrated. In order to achieve reliability information by FE-simulation of solder die attach, the creep-fatigue behaviour with the mean of crack propagation must be modeled. Various kinds of chips on copper substrate (power-transistors) were thermally tested, and different methods were used to investigate crack propagation. These methods were scanning acoustic microscopy and microstructure analysis by optical microscopy. The influence of damage on thermal behaviour (i.e. the thermal resistance of the device) was also assessed. These results were compared with the simulation results in order to build a lifetime prediction model based on crack propagation analysis.show moreshow less
  • Das Ziel dieser Arbeit war es, die schon vorhandenen Modelle für die Lötstellensimulation zu verbessern. Da das Kriechen für die Verformung von Lötlegierungen der wichtigste Mechanismus ist, wurde das Kriechverhalten für zwei Lötlegierungen untersucht. Es handelt sich dabei um die weltweit bekannten Legierungen eut. SnPb und das umweltverträglichere SnAgCu. Es ist empfehlenswert zwei Bereiche dieses Hoch-Temperatur Mechanismus zu modellieren. Um die bisherigen Werkstoffsmodelle verbessern zu können, ist das primäre Kriechen zusätzlich zu den bestehenden sekundären Kriechmodellen in FE-Programme zu implementieren. Diese Arbeit zeigt, wie das Kriechen unter zyklischer Belastung mit einer neuen Prüfkörpergeometrie untersucht werden kann. Unter solchen Randbedingungen ist erneut primäres Kriechen zu beobachten. Weiterhin wurde immer auch stationäres Kriechen beobachtet. Eine Zustandsgleichung, bestehend aus primärem und sekundärem Kriechen, wurde entwickelt. Dieses Modell wurde in den FE-Code Ansys implementiert, und nach der DurchführungDas Ziel dieser Arbeit war es, die schon vorhandenen Modelle für die Lötstellensimulation zu verbessern. Da das Kriechen für die Verformung von Lötlegierungen der wichtigste Mechanismus ist, wurde das Kriechverhalten für zwei Lötlegierungen untersucht. Es handelt sich dabei um die weltweit bekannten Legierungen eut. SnPb und das umweltverträglichere SnAgCu. Es ist empfehlenswert zwei Bereiche dieses Hoch-Temperatur Mechanismus zu modellieren. Um die bisherigen Werkstoffsmodelle verbessern zu können, ist das primäre Kriechen zusätzlich zu den bestehenden sekundären Kriechmodellen in FE-Programme zu implementieren. Diese Arbeit zeigt, wie das Kriechen unter zyklischer Belastung mit einer neuen Prüfkörpergeometrie untersucht werden kann. Unter solchen Randbedingungen ist erneut primäres Kriechen zu beobachten. Weiterhin wurde immer auch stationäres Kriechen beobachtet. Eine Zustandsgleichung, bestehend aus primärem und sekundärem Kriechen, wurde entwickelt. Dieses Modell wurde in den FE-Code Ansys implementiert, und nach der Durchführung von verschiedenen Packagingsimulationen wurde ebenfalls festgestellt, das das primäre Kriechen unbedingt berücksichtigt werden muss. Um eine Lebensdauerprognose von flächigen Lötstellen zu erreichen, müssen die Kriechermüdung sowie der Rissfortschritt modelliert werden. Einige Testdemonstratoren (Leistungstransistor auf Kupfer) wurden thermo-mechanisch geprüft (Temperaturschock und Temperaturwechsel). Durch zwei verschiedene Methoden (Ultraschallmikroskopie und Gefügeanalyse) wurde die Rissinitiierung und der Rissforschritt untersucht. Der Einfluss der Schädigung auf das thermische Verhalten des Testobjektes (thermischer Widerstand des Bauelements) wurde ebenfalls bewertet. Diese experimentellen Ergebnisse wurden mit den Simulationsergebnissen verglichen, um ein neues Lebensdauermodell basierend auf der Rissfortschrittanalyse zu bauen. Eine sehr gute Übereinstimmung erlaubt nun die Zuverlässigkeitsvorhersage von flächig aufgelöteten Chips im Bereich der Leistungselektronik.show moreshow less

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Metadaten
Author: Sylvain Déplanque
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-4275
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Bernd Viehweger
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2007
Date of final exam:2007/12/04
Release Date:2008/03/07
Tag:Kriechen; Lebensdauer; Leistungselektronik; Lötstelle; Rissfortschritt
Crack propagation; Creep; Lifetime; Power electronic; Solder joint
GND Keyword:Kriechen; Legierung; Löten
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Konstruktion und Fertigung
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Konstruktion und Fertigung
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