The effects of shear speed and tip height on the high speed shear test of Sn-3.0wt.%Ag-0.5wt.%Cu ball joints were investigated. Solder balls of $450{\mu}m$ in diameter were reflowed at $245^{\circ}C$ on a FR4 PCB (Printed Circuit Board) in order to obtain a sample for the high-speed shear test. The UBM was comprised of Cu/Ni/Au, and the shear speed and tip height varied from 0.5 to 3.0 m/s, and from 10 to $135{\mu}m$, respectively. According to the experimental results, faster shear speed enhanced the shear strength of the solder joints, regardless of the tip height. The fraction of ductile (solder) fracture decreased when the shearing speed was raised from 0.5 to 3.0 m/s. With an increasing tip height from 10 to 50 and $135{\mu}m$, the fracture mode changed from pad lift to mixed (ductile and brittle) and ductile fracture, respectively, while the shearing energy also increased in the same order. The shear energy had a proportional relationship with the fraction of the solder fracture.
Kim J. W.;Koo J. M.;Lee W. B.;Moon W. C.;Moon J. H.;Yeon Y. M.;Shur C. C.;Jung S. B.
International Journal of Korean Welding Society
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제5권1호
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pp.15-28
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2005
The ball shear test was investigated in terms of the effects of test parameters, i.e., shear height and shear speed, with an experimental and non-linear finite element analysis for evaluating the solder joint integrity of area array packages. Two representative Pb-free solder compositions were examined in this work: Sn-3.5Ag-0.75Cu and In-48Sn. The substrate was a common SMD type with solder bond pad openings of 460 $\mu$m in diameter. The microstructural investigations were carried out using SEM, and the IMCs were identified with EDS. Shear tests were conducted with the two varying test parameters. It could be observed that increasing shear height, at fixed shear speed, has the effect of decreasing shear force for both Sn-3.5Ag-0.75Cu and In-48Sn solder joints, while the shear force increased with increasing shear speed at fixed shear height. Too high shear height could cause some undesirable effects on the test results such as unexpected high standard deviation values or shear tip sliding from the solder ball. The low shear height conditions were favorable for screening the type of brittle interfacial fractures or the degraded layers in the interfaces. The shear speed conditions were discussed with the stress analyses of the solder ball, and we cannot find any conspicuous finding which is related to optimum shear speed from the stress analyses.
The effect of high shear speed on shear force, shear energy and fracture surface was investigated for the solder joint of a $Sn-_{3.0}Ag-_{0.5}Cu$ ball. For both ENIG and OSP pads, the shear force increased with an increase in shearing speed to 0.3 m/s. However, for an ENEPIG pad, the shear force increased with an increase in shear speed to 0.6 m/s and kept almost constant afterward. The shear energy decreased with an increase in shearing speed for ENIG and OSP pads. For the ENEPIG pad, however, the shear energy almost remained constant in a shearing speed range 0.3-3.0 m/s. The fracture mode analysis revealed that the amount of brittle fracture for the ENIG and the OSP pads increased with shearing speed, and a complete brittle fracture appeared at 1.0 m/s for ENIG and 2.0 m/s for OSP. However, the ENEPIG pad showed only a ductile fracture until 0.25 m/s, and a full brittle fracture didn't occur up to 3.0 m/s. The fracture mode matched well with the shear energy. The results from the high speed shear test of SAC305 were similar to those of SAC105.
This paper presents an experimental study on the failure characteristics of SnAgCu lead-free solder balls. To estimate the effect of Ag, three types of SnAgCu balls are first prepared by varying the weight percent of Ag(1.0, 3.0, 4.0 wt%) and then analyzed by reliability tests such as thermal shock, high speed ball shear, and drop tests. Thermal shock test reveals that the higher the weight percent of Ag is, the longer the fatigue lift becomes. To the contrary, high speed ball-shear test and drop test show that the shear strength and the fracture toughness of solder balls are inversely proportional to the weight percent of Ag, respectively, Reasons for these observations will be further investigated In the future work.
본 연구에서는 BGA(Ball Grid Array) 솔더 접합부에 high impact가 가해졌을 경우 접합부의 기계적 특성에 대해서 연구하였다. 시편은 ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold) 표면 처리된 FR-4 기판 위에 직경이 500 ${\mu}m$인 Sn-37Pb 솔더볼을 BGA 방식으로 배열하고 리플로우(Reflow)를 통하여 제작하였다. HTS(High Temperature Storage) 테스트를 위해, 시편을 일정한 온도의 $120^{\circ}C$에서 250시간 동안 시효처리(Aging)를 실시하였다. 시효처리 후, 각각의 시편은 고속 전단 시험기(Dage-4000HS)를 이용하여 속도 변수는 0.01, 0.1, 1, 3 m/s로 설정하여 고속전단 시험을 실시하였다. 전단시험 후, 솔더 접합 계면과 파면을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 통하여 관찰하였다. 솔더 접합 계면에는 $Ni_3Sn_4$의 금속간 화합물이 성장하였으며, 시효처리 후, 솔더 접합 계면에 생성된 금속간 화합물의 두께가 증가하는 것을 관찰 할 수 있었다. 전단 시험 결과, 전단 속도가 빨라짐에 따라 전단 강도값은 증가하는 경향을 나타내었다. 솔더 접합부의 파단은 전단 속도와 시효처리 시간에 따라 다양한 파괴 모드로 진행됨을 알 수 있었다. 또한, 파괴 모드는 연성파괴 형상을 보이다가 전단속도가 증가함에 따라 취성 파괴 형상으로 변하는 것을 알 수 있었다.
고속전단시힘의 표준화를 위한 기초 연구의 일부로 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더 볼의 고속전단특성에 대한 연구를 수행 하였다. 고속전단 시험편 제작을 위해 직경 450 ${\mu}m$의 솔더 볼을 FR4 PCB (Printed Circuit Board) 위에 장착한 후 $245^{\circ}C$ 온도에서 리플로 솔더링을 행하였다. PCB 상의 금속 패드로는 ENIG (Electroless Nickel/mmersion Gold, i.e Cu/Ni/Au)와 OSP (Organic Solderability Preservative, Cu 패드)를 사용하였다. 고속전단 속도는 0.5~3.0 m/s 범위, 전단 팁의 높이는 10~135 ${\mu}m$ 범위에서 변화시켰다. 실험결과로서, OSP 패드의 경우 전단 팁 높이 증가에 따라 연성 파괴가 증가하였으며, 전단속도 증가에 따라 연성파괴는 감소되었다. ENIG 패드의 경우에도 전단 팁 높이 증가에 따라 연성 파괴가 증가하였다. 전단 팁 높이 10 ${\mu}m$(볼 직경의 2%)는 패드 박리 파괴가 대부분이어서 전단파면 관찰에는 부적절한 높이였다. 고속전단에너지는 OSP 및 ENIG 패드 모두 전단 팁 높이 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다.
The effect of shearing speed on the shear force and energy of Sn-0Ag-0.5Cu solder ball was investigated. Various UBM (under bump metallurgy)'s on Cu pads were used such as ENEPIG (Electroless Nickel, Electroless Palladium, Immersion Gold; Ni/Pd/Au), ENIG (Electroless Nickel, Immersion Gold; Ni/Au), OSP (Organic Solderability Preservative). To fabricate a shear test specimen, a solder ball, $300{\mu}m$ in diameter, was soldered on a pad of FR4 PCB (printed circuit board) by a reflow soldering machine at $245^{\circ}C$. The solder bump on the PCB was shear tested by changing the shearing speed from 0.01 m/s to 3.0 m/s. As experimental results, the shear force increased with a shearing speed of up to 0.6 m/s for the ENIG and the OSP pads, and up to 0 m/s for the ENEPIG pad. The shear energy increased with a shearing speed up to 0.3 m/s for the ENIG and the OSP pads, and up to 0.6 m/s for the ENEPIG pad. With a high shear speed of over 0 m/s, the ENEPIG showed a higher shear force and energy than those of the ENIG and OSP. The fracture surfaces of the shear tested specimens were analyzed, and the fracture modes were found to have closer relationship with the shear energy than the shear force.
In a hope to better understand the flow and convective heat transfer characteristics inside a ball bearing, air flow between the rolling elements and raceways at high speed bearing rotation is numerically investigated using a simplified inner geometry of bearing and a CFD technique. Flow simulation results reveal the pressure distribution of airflow and the shear stress distribution on the ball surface, of which nonuniformity becomes significant with the increasing rotational speed. Also, the local point of maximum shear stress coincides with the stagnation flow area on the surface of rolling elements. A complex pattern of three-dimensional vortex structures is found in the air flow due to the relative motion of bearing elements and three different types of vortex pairs exist around the rotating and orbiting rolling elements.
Ball screws are commonly used in linear motion feeding systems of various machine tools and automated systems. They are known to have relatively little backlash, high precision and efficiency compared to ordinary lead screws. Furthermore, the effectiveness of ball screw has made it the preferred choice of many newly developed high speed precision feeding units. The motivation of this work is to establish the groove edsigh basis of ball screws for the reduction of contact fatigue failure. In most instances, fatigue failure between ball and shaft groove is due to excessive contact pressure. Especially, the excessive load is causative of plastic flow below the contact surface, which can contribute to surface failure. But, in spite of small load, if groove conformity rate is large, contact pressure is increased and internal shear stress reach the yield value of the material. In such a point, the authors deal with design procedure for deciding the permissible conformity rate of a ball screw groove with the computational evaluation of contact pressure and maximum shear stress.
The ability of electronic packages and assemblies to resist solder joint failure is becoming a growing concern. This paper reports on a study of high speed shear energy of Sn-4.0wt%Ag-0.5wt%Cu (SAC405) solder with different electroless Ni-P thickness, with $HNO_3$ vapor's status, and with various pre-conditions. A high speed shear testing of solder joints was conducted to find a relationship between the thickness of Ni-P deposit and the brittle fracture in electroless Ni-P deposit/SAC405 solder interconnection. A focused ion beam (FIB) was used to polish the cross sections to reveal details of the microstructure of the fractured pad surface with and without $HNO_3$ vapor treatment. A scanning electron microscopy (SEM) and an energy dispersive x-ray analysis (EDS) confirmed that there were three intermetallic compound (IMC) layers at the SAC405 solder joint interface: $(Ni,Cu)_3Sn_4$ layer, $(Ni,Cu)_2SnP$ layer, and $(Ni,Sn)_3P$ layer. The high speed shear energy of SAC405 solder joint with $3{\mu}m$ Ni-P deposit was found to be lower in pre-condition level#2, compared to that of $6{\mu}m$ Ni-P deposit. Results of focused ion beam and energy dispersive x-ray analysis of the fractured pad surfaces support the suggestion that the brittle fracture of $3{\mu}m$ Ni-P deposit is the result of Ni corrosion in the pre-condition level#2 and the $HNO_3$ vapor treatment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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