Proceedings of the Korean Reliability Society Conference
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2004.07a
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pp.221-226
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2004
The thermal stresses induced by difference in Coefficient of Thermal Expansion between FR-4 board and 63Sn-37Pb solder joint directly affect the reliability of 63Sn-37Pb solder joint. This research, thus, focuses to investigate the crack initiation and propagation behavior around solder joint by imposing a designed Acceleration Life Test Procedure on solder joint by using a newly manufactured Thermal Impact Experimental Apparatus. The fracture mechanism of the solder joint was found to be highly influenced by thermal stresses. The reliability of solder joint was evaluated by using a failure probability model in terms of varying parameters such as frequency and temperature. The relationship between failure probability and safety factor was also studied.
In this study, we optimized Pb-free Sn/Ni plating thickness and conditions were optimized to counteract the environmental regulations, such as RoHS and ELV(End-of Life Vehicles). The $B_{10}$ life verification method was also suggested to have been successful when used with the accelerated life test(ALT) for assessing Pb-free solder joint life of piezoelectric (PZT) ceramic resonator. In order to evaluate the solder joint life, a modified Norris-Landzberg equation and a Coffin-Manson equation were utilized. Test vehicles that were composed of 2520 PZT ceramic resonator on FR-4 PCB with Sn-3.0Ag-0.5Cu for ALT were manufactured as well. Thermal shock test was conducted with 1,500 cycles from $(-40{\pm}2)^{\circ}C$ to $(120{\pm}2)^{\circ}C$, and 30 minutes dwell time at each temperature, respectively. It was discovered that the thermal shock test is a very useful method in introducing the CTE mismatch caused by thermo-mechanical stress at the solder joints. The resonance frequency of test components was measured and observed the microsection views were also observed to confirm the crack generation of the solder joints.
Proceedings of the International Microelectronics And Packaging Society Conference
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2002.09a
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pp.79-94
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2002
Root cause -Thermal expansion coefficient mismatch -Tape warpage -Initial die crack (die roughness) Guideline for failure prevention -Optimized tape/Substrate design for minimizing the warpage -Fine surface of die backside Root cause -Thermal expansion coefficient mismatch - Repetitive bending of a signal trace during TC cycle - Solder mask damage Guideline for failure prevention - Increase of trace width - Don't make signal trace passing the die edge - Proper material selection with thick substrate core Root cause -Thermal expansion coefficient mismatch -Creep deformation of solder joint(shear/normal) -Material degradation Guideline for failure Prevention -Increase of solder ball size -Proper selection of the PCB/Substrate thickness -Optimal design of the ball array -Solder mask opening type : NSMD -In some case, LGA type is better
Interfacial reaction and mechanical properties between Sn-Zn-X ternary alloys(X : 3wt.%In, 4wt.%Bi) and Cu-substrate were studied. Cu/solder joints were subjected to aging treatments for up to 50days to see interfacial reaction at $100^{\circ}C$ and then were examined changes of microstructure and interfacial compound by optical microscopy, SEM and EDS. Cu/solder joints were aged to 30days and then loaded to failure at cross head speed of 0.3 mm $min^{-1}$ to measure tensile strength. According to the results of the solderability test, additions of In and Bi in the Sn-9wt.%Zn solder improve the wetting characteristics of the alloy and lower the melting temperature. Through the EDS and XRD analysis of Cu/Sn-9wt.%Zn solder joint, it was concluded that the intermetallic compound was the ${\gamma}-Cu_5Zn_8$ phase. Cu-Zn intermetallics at Cu/solder interfaces played an important role in both the microstructure evolution and failure of solder joints. Cu/solder joint strength was decreased by aging treatment, and those phenomenon was closely related to the thickening of intermetallic layer at Cu/solder joints.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.20
no.3
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pp.59-62
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2013
Experimental analyses on the solder joint reliability of plastic ball grid array under harsh random vibration were presented. The chips were assembled on the daisy chained circuit boards for the test samples preparation, half of which were processed for underfill to investigate the underfill effects on the solder failures. Acceptance and qualification levels were applied for the solder failure tests, and the overall controlled RMS of the power spectrum densities of the steps were 22.7 Grms and 32.1 Grms, respectively. It was found that the samples survived without any solder failure during the tests, demonstrating the robustness of the packaging structure for potential avionics and space applications.
A miniature single solder ball joint is designed to mimic the actual solder joints used in the micro-electric industries. Shear tests were conducted to evaluate the mechanical behavior of miniature single solder joints at intermediate strain rates from $0.019\;s^{-1}$ to $2.16\;s^{-1}$ at room temperature. The shear fracture strength of the present solder ball joints generally increased with increasing shear strain rate, ranging from 32 to 51MPa. This behavior is affected by the sensitivity of bulk solder strength to strain rate. Shear fracture mode changed from brittle to partial ductile (failure inside the bulk solder) with an increase of shear speed. The unloading shear fracture toughness is generally consistent with the measure of the amount of bulk solder on the fractured surface.
The effects of aging time on the microstructure and shear strength of the Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC)/Ag pad/Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG)/BGA solder joints were investigated through isothermal aging at $150^{\circ}C$ for 1000 h with conventional Sn-37Pb and Sn-3Ag-0.5Cu. $Ni_3Sn_4$ intermetallic compound (IMC) layers was formed at the interface between Sn-37Pb solder and LTCC substrate as-reflowed state, while $(Ni,Cu)_3Sn_4$ IMC layer was formed between Sn-3Ag-0.5Cu solder and LTCC substrate. Additional $(Cu,Ni)_6Sn_5$ layer was found at the interface between the $(Ni,Cu)_3Sn_4$ layer and Sn-3Ag-0.5Cu solder after aging at $150^{\circ}C$ for 500 h. Thickness of the IMC layers increased and coarsened with increasing aging time. Shear strength of both solder joints increased with increasing aging time. Failure mode of BGA solder joints with LTCC substrate after shear testing revealed that shear strength of the joints depended on the adhesion between Ag metallization and LTCC. Fracture mechanism of Sn-37Pb solder joint was a mixture of ductile and pad lift, while that of Sn-3Ag-0.5Cu solder joint was a mixture of ductile and brittle $(Ni,Cu)_3Sn_4$ IMC fracture morphology. Failure mechanisms of LTCC/Ag pad/ENIG/BGA solder joints were also interpreted by finite element analyses.
The mechanical stability of solder joints in electronic devices with Sn-Ag-Cu is a continuous issue since the material was applied to the industry. Various shock test methods were developed and standardized tests are used in the industry worldwide. Although it is applied for several years, the detailed mechanism of the shock induced failure mechanism is still under investigation. In this study, the effect of external temperature was observed on large Flip-chip BGA components. The weight and size of the large package produced a high strain region near the corner of the component and thus show full fracture at around 200G level shock input. The shock performance at elevated temperature, at $100^{\circ}C$ showed degradation based on board pad designs. The failure mode and potential failure mechanisms are discussed.
Journal of the Korean Institute of Telematics and Electronics A
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v.31A
no.12
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pp.44-55
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1994
This study is to apply the theory of fatigue fracture to solder joints under thermal cyclic loading and predict life of solder joint to failure. A 62Sn-36Pb-2Ag solder was used in this study. Tensile tests were preformed at temperatures of 15.dec. C, 50.dec. C and 85.dec. C in order to find terms of crack length "a". plastic strain range ""${\Delta}{\varepsilon}_p$" and temperature "T". Solder joint under thermal cyclic loading was analyzed by FEM. this FEM analysis together with the crack growth rate will provide the capability of the fatigue life prediction of solder joints and enhance the reliability od solder joint.
The long-term reliability of Sn-0.3wt%Ag-0.7wt%Cu solder joints was evaluated and compared with Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu under thermal shock conditions. Test vehicles were prepared to use Sn-0.3Ag-0.7Cu and Sn-3.0Ag-0.5Cu solder alloys. To compare the shear strength of the solder joints, 0603, 1005, 1608, 2012, 3216 and 4232 multi-layer ceramic chip capacitors were used. A reflow soldering process was utilized in the preparation of the test vehicles involving a FR-4 material-based printed circuit board (PCB). To compare the shear strength degradation following the thermal shock cycles, a thermal shock test was conducted up to 2,000 cycles at temperatures ranging from $-40^{\circ}C$ to $85^{\circ}C$, with a dwell time of 30 min at each temperature. The shear strength of the solder joints of the chip capacitors was measured at every 500 cycles in each case. The intermetallic compounds (IMCs) of the solder joint interfaces werealso analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The results showed that the reliability of Sn-0.3Ag-0.7Cu solder joints was very close to that of Sn-3.0Ag-0.5Cu. Consequently, it was confirmed that Sn-0.3Ag-0.7Cu solder alloy with a low silver content can be replaced with Sn-3.0Ag-0.5Cu.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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