Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.11a
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pp.143-146
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2005
In modern automotive control modules, mechanical failures of surface mounted electronic components such as microprocessors, crystals, capacitors, transformers, inductors, and ball grid array packages, etc., are mai or roadblocks to design cycle time and product reliability. This paper presents a general methodology of failure analysis and fatigue prediction of these electronic components under automotive vibration environments. Mechanical performance of these packages is studied through finite element modeling approach fur given vibration environments in automotive application. Using the results of vibration simulation, fatigue lift is predicted based on cumulative damage analysis and material durability information. Detailed model of solder/lead joints is built to correlate the system level model and obtain solder strains/stresses. The primary focus in this paper is on surface-mount interconnect fatigue failures and the critical component selected for this analysis is 80 pin plastic leaded microprocessor.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.18
no.3
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pp.45-52
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2011
It is known that test methods to evaluate solder joint reliability are die shock test, die shear test, 3points bending test, and thermal shock test. The present study investigated the effects of failure mode on 3 types (as-reflowed, $85^{\circ}C$/85%RH treatment, and $150^{\circ}C$/10hr aging) of solder joints for flip-chip BGA package by using various test methods. The test methods and configurations are reported in detail, i.e. die shock, die shear, 3points bending, and thermal shock test. We focus on the failure mode of solder joints under various tests. The test results indicate that die shock and die shear test method can reveal brittle fracture in flip-chip ball grid array (FCBGA) packages with higher sensitivity.
This paper reviews our recent research works on the interconnection technologies in electronic packaging and assembly. At the aspect of advanced joining methods, laser-ultrasonic fluxless soldering technology was proposed. The characteristic of this technology is that the oxide film was removed through the vibration excitated by high frequency laser change in the molten solder droplet. Application researches of laser soldering technology on solder bumping of BGA packages were carried out. Furthermore, interfacial reaction between SnPb eutectic solder and Au/Ni/Cu pad during laser reflow was analyzed. At the aspect of soldered joints' reliability, the system for predicting and analyzing SMT solder joint shape and reliability(PSAR) has been designed. Optimization design method of soldered joints' structure was brought forward after the investigation of fatigue failure of RC chip devices and BGA packages under temperature cyclic conditions with FEM analysis and experimental study. At the aspect of solder alloy design, alloy design method based on quantum was proposed. The macroproperties such as melting point, wettability and strength were described by the electron parameters. In this way, a great deal of the experimental investigations was replaced, so as to realize the design and research of any kinds of solder alloys with low cost and high efficiency.
Electromigration test of flip chip solder bump is performed at $140^{\circ}C$ C and $4.6{\times}10^4A/cm^2$ conditions in order to compare electromigration with thermomigration behaviors by using electroplated Sn-3.5Ag solder bump with Cu under-bump-metallurgy. As a result of measuring resistance with stressing time, failure mechanism of solder bump was evaluated to have four steps by the fail time. Discrete steps of resistance change during electromigration test are directly compared with microstructural evolution of cross-sectioned solder bump at each step. Thermal gradient in solder bump is very high and the contribution of thermomigration to atomic flux is comparable with pure electromigration effect.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.18
no.5
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pp.449-454
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2009
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.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.25
no.2
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pp.1-8
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2018
In the soldering industry, a variety of lead-free solders have been developed as a part of restricting lead in electronic packaging. Sn-Ag-Cu (SAC) lead-free solder is regarded as one of the most superior candidates, owing to its low melting point and high solderability as well as the mechanical property. On the other hand, the mechanical property of SAC solder is directly influenced by intermetallic compounds (IMCs) in the solder joint. Although IMCs in SAC solder play an important role in bonding solder joints and impart strength to the surrounding solder matrix, a large amount of IMCs may cause poor strength, due to their brittle nature. In other words, the mechanical properties of SAC solder are of some concern because of the formation of large and brittle IMCs. As the IMCs grow, they may cause poor device performance, resulting in the failure of the electronic device. Therefore, new solder technologies which can control the IMC growth are necessary to address these issues satisfactorily. There are an advanced nanotechnology for microstructural refinement that lead to improve mechanical properties of solder alloys with nanoparticle additions, which are defined as nano-reinforced solders. These nano-reinforced solders increase the mechanical strength of the solder due to the dispersion hardening as well as solderability of the solder. This paper introduces the nano-reinforced solders, including its principles, types, and various properties.
When the electronics are tested with thermal shock for Pb-free solder joint reliability, there are temperature conditions with use environment but number of cycles for test don't clearly exist. To obtain the long term reliability data, electronic companies have spent the cost and times. Therefore this studies show the test method and number of thermal shock cycles for evaluating the solder joint reliability of electronic components and also research bonding strength variation with formation and growth of intermetallic compounds (IMC). SMD (surface mount device) 3216 chip resistor and 44 pin QFP (quad flat package) was utilized for experiments and each components were soldered with Sn-40Pb and Sn-3.0 Ag-0.5 Cu solder on the FR-4 PCB(printed circuit board) using by reflow soldering process. To reliability evaluation, thermal shock test was conducted between $-40^{\circ}C\;and\;+125^{\circ}C$ for 2,000 cycles, 10 minute dwell time, respectively. Also we analyzed the IMCs of solder joint using by SEM and EDX. To compare with bonding strength, resistor and QFP were tested shear strength and $45^{\circ}$ lead pull strength, respectively. From these results, optimized number of cycles was proposed with variation of bonding strength under thermal shock.
Due to environmental regulations (RoHS, WEEE and ELV) of the European Union, electronics and automotive electronics have to eliminate toxic substance from their devices and system. Especially, reliability issue of lead-free solder joint is increasing in car electronics due to ELV (End-of-Life Vehicle) banning from 2016. We have prepared engine control unit (ECU) modules soldered with Sn-40Pb and Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) solders, respectively. Degradation characteristics of solder joint strength were compared with various conditions of automobile environment such as cabin and engine room. Thermal cycle test (TC, $-40^{\circ}C$ ~ ($85^{\circ}C$ and $125^{\circ}C$), 1500 cycles) were conducted with automotive company standard. To compare shear strength degradation rate with eutectic and Pb-free solder alloy, we measured shear strength of chip components and its size from cabin and engine ECU modules. Based on the TC test results, finally, we have known the difference of degradation level with solder alloys and use environmental conditions. Solder joints degradation rate of engine room ECU is superior to cabin ECU due to large CTE (coefficient of thermal expansion) mismatch in field condition. Degradation rate of engine room ECU is 50~60% larger than cabin room electronics.
The present study investigates the impact shear strength of thermal aged Sn-3Ag-0.5Cu lead-free solder joints at impact speeds ranging from 0.5 m/s to 2.5 m/s. The specimens were thermal aged for 24, 100, 250 and 1000 hours at $100^{\circ}C$. The experimental results demonstrate that the shear strength of the solder joint decreases with an increase in the load speed and aging time. The shear strength of the solder joint aged averagely decreased by 43% with an increase in the strain rate. For the as-reflowed specimens, the mode II stress intensity factor ($K_{II}$) of interfacial IMC between Sn-3.0Ag-0.5Cu and a copper substrate also was found to decrease from $1.63MPa.m^{0.5}$ to $0.97MPa.m^{0.5}$ in the speed range tested here. The degradations in the shear strength and fracture toughness of the aged solder joints are mainly caused by the growth of IMC layers at the solder/substrate interface.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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