The influence of temperature cycle conditions on the failure mechanism and the lifetime of SnAgCu solder joints

Die fortschreitende digitale Transformation verändert unseren Alltag. Es entstehen nicht nur komplett neue und vernetzte Elektronikanwendungen. Auch traditionelle Branchen, wie beispielsweise die Automobilindustrie, sind einem tiefgreifenden Wandel ausgesetzt. Neue Fahrzeuge müssen vermehrt die Wünsche der Kunden nach Vernetzung, Multimedia sowie autonomem und elektrifiziertem Fahren erfüllen. Diese Anforderungen bedingen den Einsatz neuer Halbleiter- und Package-Technologien. Trotz anhaltender Miniaturisierung der Elektronik ist Löten weiterhin die wichtigste Verbindungstechnologie zwischen Bauelement und Leiterplatte. Ein lebensdauerbestimmender - und damit zuverlässigkeitslimitierender - Fehlermechanismus in der Elektronik ist die Lotermüdung. Dies gilt auch gut 20 Jahre nach der Umstellung auf bleifreie Lotlegierungen. Um die Produktlebensdauer sicherzustellen, ist ein Temperaturwechseltest der Elektronik zur Validierung unumgänglich. Aufgrund der zeit-, temperatur- und spannungsabhängigen Kriecheigenschaften der Lotlegierung haben auch Parameter wie Temperaturrampe, Haltezeit oder absolute Testtemperaturen einen großen Einfluss auf die Lebensdauer der Verbindungen. Außerdem sind die Effekte der jeweiligen Parameter wegen der verschiedenen Kriecheigenschaften nicht aus Experimenten mit bleihaltigen Lotlegierungen übertragbar. In der vorliegende Arbeit werden Untersuchungen und Ergebnisse zu Lebensdauer und Fehlermechanismus von bleifreien Lotlegierungen in unterschiedlichen Temperaturwechselbelastungen präsentiert. Die experimentellen Untersuchungen verschiedener Wechselbelastungen zeigen alle einen identischen Fehlermechanismus: Es konnte gezeigt werden, dass sowohl bei langsamer Temperaturrampe, als auch bei schneller Umtemperierung der Testvehikel in heißer und kalter Flüssigkeit eine vergleichbare Ermüdung der Lötstelle stattfindet. Diese konnte über Gefügeuntersuchungen nachgewiesen werden. Die Bewertung der Ermüdung erfolgt aufgrund der Kriterien Vergröberung der intermetallischen Phasen, Rekristallisation, plastischer Deformation, Rissinitiierung und Risswachstum. Bei gleichem Fehlermechanismus haben steilere Temperaturrampen jedoch einen signifikanten Einfluss auf die Lebensdauer der Lotverbindungen: Die schärfere Temperaturrampe verringert die Anzahl an Zyklen bis zum Ausfall. Zusätzlich verkürzt der schnellere Temperaturwechsel die Prüfzeit bis zum Ausfall, da die Temperaturrampe einen beträchtlichen Anteil der gesamten Zykluszeit darstellt. Ein voller Temperaturwechselzyklus besteht neben den zwei Temperaturrampen auch aus den Haltezeiten bei tiefer und hoher Temperatur. Werden die Haltezeiten im Versuch ebenfalls stark gekürzt, steigt die Lebensdauer der Verbindungen wieder signifikant an und der Effekt der schärferen Temperaturrampe wird kompensiert. Das heißt, eine insgesamt kurze Zykluszeit reduziert die Kriechdeformation im Lot und verringert so die Schädigung, die sich pro Zyklus in der Lötstelle akkumuliert. Die durchgeführten Experimente wurden ebenfalls mit üblichen Simulationsmethodiken modelliert. Für unterschiedlich lange Temperaturrampen zeigt sich eine bessere Übereinstimmung der Versuchsergebnissen mit dem Energie-basierten Simulationsmodell. Diese geben den Trend der kürzeren Lebensdauer bei schärferer Rampe im Vergleich zu Kriechdehnung-basierten Modellen korrekt wieder. Alle Simulationsmethodiken zeigen im Ergebnis eine inhomogene Schädigungsverteilung innerhalb der Lötstelle. Risswachstum konnte in dem Bereich festgestellt werden, der auch in der Simulation die höchste Belastung zeigt. Zum ersten Mal wurde in dieser Form eine breit gefächerte Parametervariation mit detaillierter und umfassender Fehleranalyse sowie einer Diskussion mit dem entsprechenden Simulationsmodell kombiniert. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen eine Basis dar, um die Parameter eines applikationsspezifischen Temperaturwechseltests für Elektronikprodukte zu optimieren.The ongoing digital transformation has a great impact on the world we live in. New and connected electronic applications have evolved over time and simplify our everyday life. This disruptive change also impacts traditional industries, like the automotive industry. New semiconductor and package technologies are developed to fulfill the customer demand of connectivity in modern cars such as high-quality multimedia applications and the desire of autonomous and electric driving. Electronic components have been miniaturized significantly over the last decades. However, soldering stayed the most common interconnect technology between the package and the printed circuit board until today. Solder fatigue is one of the most critical failure mechanisms, limiting the long term reliability of electronics in harsh environments. This failure mechanism was already discussed in the time of eutectic tin-lead solder and is still relevant for today’s lead-free solders. In order to ensure product reliability throughout the full lifetime, manufacturers perform thermal cycling tests. During the thermal cycling test procedure the test parameters temperature range, dwell time, temperature ramp rates and limit temperatures have a large impact on the number of cycles until product failure occurs. The reason for this strong effect of these test parameters is the metallurgical creep behavior of the solder alloy. The typically used tin-based alloys show a strong time, temperature and stress dependent creep behavior. Furthermore, conclusions drawn from the eutectic tin-lead solder do not necessarily hold true for today’s lead-free alloys. Failure mechanism and lifetime investigation of solder joints are still subject to ongoing research. This thesis focuses on the lifetime and failure mechanism of lead-free solder alloys under multiple thermal cycling conditions in order to optimize the loading conditions while maintaining the failure mechanism. All of the thermal cycling conditions, that have been applied, resulted in the expected failure mechanism. This thesis proves, that slow thermal cycling induces a similar fatigue to the solder joints of the testboard as harsh temperature shock testing (within air and liquid media). These findings are verified by microstructural analysis and assessed by the different phases of solder fatigue: Coarsening of the intermetallic phases, recrystallization of the grain structure, plastic deformation, crack initiation and crack growth through the joint. The harshness of temperature ramps has a significant effect on the solder joint lifetime, while maintaining its respective failure mechanism. A more rapid temperature change decreases the number of cycles to failure. Additionally, the increased ramp rate reduces testing time because it shortens the time of each temperature cycle. One full thermal cycle is defined by two temperature ramps and two dwell times at high and low temperature. In one of the experiments, the dwell times in liquid-liquid testing were drastically reduced. This results in an increased number of cycles to failure which compensates for the effect of the harsh temperature ramp rate on the solder joint lifetime. A shorter cycle time decreases the accumulated creep deformation in the alloy and therefore reduces the damage to the solder joint. The experiments have been modeled with finite element analysis. State of the art approaches and methods are used to simulate the accumulating damage during one cycle considering each individual condition. For different temperature ramp rates the energy-based methods showed a better match to the experimental results than the creep-strain based approach. The energy-based analysis predicts the decreasing number of cycles to failure correctly for harsher ramp rates. All simulation methods showed an inhomogeneous damage distribution within the joints. Crack growth in the solder joint during the experiments could be linked to the areas with the highest damage accumulation from the simulation. This thesis combines a broad test parameter variation, detailed failure analysis and simulation results of the experiments. This kind of analysis is unique in terms of detail and compilation. This thesis forms the base for the optimization of thermal cycling tests tailored to specific electronic applications