Einführung in die Surface Mount Technology (SMT ... · Projekt zur finiten Elementmethode. TU...
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Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller
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Einführung in die Surface Mount Technology (SMT):
Komponenten und Materialien, Zuverlässigkeit, FE-Modelle
Prof. Dr. Wolfgang H. MüllerFakultät V
Institut für MechanikLehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie
Technische Universität Berlin 10587 Berlin
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Institute of MechanicsChair for Continuums Mechanics and Materials Theory
Our Expertise: “Computer Modeling of Complex Materials and Processes“
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Specimen
Die
GuidePunch
10 10 10 10 100 -2 -4 -6 -8 m
FE-Berechnungen(z.B. LebensdaueranalyseMikroelektronikverbunden)
Simulation des Lasersschutzgasschweißens
Grenzflächenbruchmechanik(z.B. Schweißnähtenin Verbrennungskammern)
SimulationmikrostrukturellerEntwicklungen (z.B. Lote, NiAl,Keramiken)
MessungmechanischerWerkstoffparameter(z.B. Lote)
In-situ Tiefseebohrproben-nahme und -analyse
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Die zerstörerische Wirkungvon Thermospannungen
Im Großen:
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Im Kleinen:
Lebensdauerprognose ?
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OutlineSurface Mount Technology (SMT):
typical componentsmaterials usedproduction stepsquality and reliability control
FE-Simulation of SMT-Components:recent example - the Hitap FCOB and substructuresgoalsmeshing / submodeling techniqueintroduction to strength of materials conceptscontents of an ABAQUS input filelifetime prediction
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OutlineSurface Mount Technology (SMT):
typical componentsmaterials usedproduction stepsquality and reliability control
FE-Simulation of SMT-Components:recent example - the Hitap FCOB and substructuresgoalsmeshing / submodeling techniqueintroduction to strength of materials conceptscontents of an ABAQUS input filelifetime prediction
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Typical SMT Components IThe trend towards extreme miniaturisation
chip carriersLCDs anddisplays
resistors andcapacitors
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Typical SMT Components IIMiniMELF ceramic resistor:
aging of SnPb solderfalse alignment of parts on the PC-Boardthermal mismatch of materials
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Typical SMT Components III
Ball Grid Arrays (BGAs):micro-structural coarsening of solder during thermal ageinginterface cracks
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Typical SMT Components IV
Chip Scale Packages (CSPs):
in a pacemaker: in a mobile phonewith video unit:
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Typical SMT Components V
Chip Scale Packages (CSPs):“flexible interposer CSPs”
(a) compression bonding (face down), (b) wire bonding (face up)
“rigid substrate CSPs” (= setup as a “mini BGA”)
elastomerchip
substratesolder ball
gold-plated bumps
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Flip-Chips (FCs):
used in Nasa’s “fetal monitor unit”
Si-chip, activeside “face down”
solder bumps(first level interconnect)
Typical SMT Components VI
solder balls(second level interconnect)
underfill
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OutlineSurface Mount Technology (SMT):
typical componentsmaterials usedproduction stepsquality and reliability control
FE-Simulation of SMT-Components:recent example - the Hitap FCOB and substructuresgoalsmeshing / submodeling techniqueintroduction to strength of materials conceptscontents of an ABAQUS input filelifetime prediction
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lead containing and lead free solders, binary, ternary or quartenary
alloys, eutectic or near- eutectic, made of Sn, Pb, Cu, Ag, In, Sb, Bi , ...
Typical Materials Used in SMT I
stress-strain diagram: strength diagram:
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SMT solder joints: formation of interface cracksmicrostructural coarsening
ball grid arrays and solder ball before and after 4000 temperature cyclesaging at RT after (a) 2h, (b) 17d and (c) 63d
(a) after solidification, (b) 3h and (c) 300 h at 125°CMELF miniature resistor and solder joints before and after 3000 temperature cycles
Typical Materials Used in SMT II
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Experimental determination of local material properties VIMaterials & Structures investigated (I)
Formation of intermetallic compounds in microelectronic solder connections
IMC formation and ripening of“scallops” at the interface
Scallop morphology of Cu-Sn intermetallics(a) SnPb/Cu at 200 °C, 10 min(b) SnBi/Cu at 160 °C, 5 min(c) SnAg/Cu at 240 °C, 5 min(d) Sn/Cu at 250 °C, 5 min, Kim & Tu [1996]
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Materials & Structures investigated (II)
Formation of intermetallic compounds in microelectronic solder connections
IMC formation and ripening at the interface and in the solder bulk(K. Müller, NM Bayreuth)
SnAgCu +In
1x Reflow 2x Reflow
Ag3Sn Cu6Sn5
Experimental determination of local material properties VII
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Materials & Structures investigated (III)
EDX analysis of the chemical species and composition(K. Müller, NM Bayreuth andJ. Villain, FH Augsburg) Sn La1 Ag La1
Cu La1 In La1
Nd La1 O Ka1
Experimental determination of local material properties VIII
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Experimental determination of local material properties IXMaterials & Structures investigated (IV)
EDX analysis of the chemical species and composition(K. Müller, NM Bayreuth andJ. Villain, FH Augsburg)
Cu1Ag70In7,7Sn21
Cu3Ag61In8Sn27,8
Ag69In5,7Sn25
Ag3Sn
Ag3Sn
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“bumping” of silicon chips (after IZM)
Typical Materials Used in SMT III
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Typical Materials Used in SMT IV
squeegee
copper pad
smooth solder bumps after reflow-heating
syringes with solder paste
solder bumps after stencil-printing
stencil
solder paste
“putting-on” solder pasteby stencil-printing: or by “injection”:
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restricting solder flow: solder stop masks
copper pads for solder ball connect
Typical Materials Used in SMT V
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PC-Boards: “Cu-circuits surrounded by epoxy”,e.g. FR-4 =“flame-retardant 4 material substrate”
Typical Materials Used in SMT VI
Si-chip
solder ballHDS cracks
“copper vias”“micro via”
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underfill: “corset” used to mechanically stabilisetiny solder bumps in CSPs
Typical Materials Used in SMT VII
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chipunderfill
Printed Circuit Board
50 μm
siliconchipunderfill
SolderBall
delamination crack
20 μm
problems with underfilling
Typical Materials Used in SMT VIII
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OutlineSurface Mount Technology (SMT):
typical componentsmaterials usedproduction stepsquality and reliability control
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process chain: placement machines:
reflow oven:
SMT Production Steps
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OutlineSurface Mount Technology (SMT):
typical componentsmaterials usedproduction stepsquality and reliability control
FE-Simulation of SMT-Components:recent example - the Hitap FCOB and substructuresgoalsmeshing / submodeling techniqueintroduction to strength of materials conceptscontents of an ABAQUS input filelifetime prediction
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destructive analysis of SMT parts by means of optical microscopyQuality and Reliability Control I
~ 30-40 mm
resin
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solder ballsQuality and Reliability Control II
Heriot-Watt University
Test-board analysis (Solder)
Analysis By
Siemens, Germany
Features
CSP 3 (Row 4 Balls)
Ball, 200x magnificationCSP 5
Balls, 25x
- Voids in
solder
CSP 4 (Row 2 Balls)
Ball, 200x
- Void in
solder.
- Separa-
tion from
top inter-
face layer.
CSP 4 (Row 4 Balls)
Ball, 200x
- Voids in
solder.
Heriot-Watt University
Test-board analysis (Solder)
Analysis By
Siemens, Germany
Features
CSP 3 (Row2 Balls)
Ball, 200x
- Voids in
solder.
CSP 4 (Row 2 Balls)
Balls, 100xFCOB 3
100x
- Voids in
solder.
CSP 3 (Row 5 Balls)
Ball, 400x
- Interface
cracking in
solder balls.
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Quality and Reliability Control III
Heriot-Watt University
Test-board analysis (Solder)
Analysis By
Siemens, Germany
Features
CSP 6 (Row 2 Balls)
Ball, 200xCSP 5
Ball, 200x
- Cracks At
top of solder
balls close to
interface
layer. Total
separation.
CSP 6 (Row 2 Bumps)
Bump, 200x
FCOB 2
Bump, 200x
- Delamina-
tion of inter-
face copper
pads.
- Solder dete-
rioration.
CSP (Row 5 Balls With Bumps)
Bump, 200x
- Severe
damage to
solder bumps
solder balls and bumpsHeriot-Watt University
Test-board analysis (Solder)
Analysis By
Siemens, Germany
Features
CSP 3 (Row 4 Balls With Bumps)
Bump, 400xFCOB 2
200x
- Poor solder
deposition
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Heriot-Watt University
Test-board analysis (Solder)
Features
CSP 3 (Row 1 Balls)
μ-via 100x
CSP 3 (Row 2 Balls)
μ-via, 100x
CSP 4 (Row 4 Balls)
μ-via, 200xVia Region (4th Sample Row)
Via, 200x
CSP 6 (Via Region – 1st Sample Row)
Top of via, 100xCSP 6 (Via Region – 1st Sample Row)
Bottom of via, 100x
Quality and Reliability Control IVvias and microvias
Heriot-Watt University
Test-board analysis (Solder)
Analysis By
Siemens, Germany
Features
Via Region (3rd Sample Row)
Via, 50x
(Slight Deformation)
narrowing
via
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OutlineSurface Mount Technology (SMT):
typical componentsmaterials usedproduction stepsquality and reliability control
FE-Simulation of SMT-Components:recent example - the Hitap FCOB and substructuresgoalsmeshing / submodeling techniqueintroduction to strength of materials conceptscontents of an ABAQUS input filelifetime prediction
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microvias
FCOB withmicrovias
Recent Example: the Hitap FCOB and substructures
FCOB = Flip-Chip-On-Board
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OutlineSurface Mount Technology (SMT):
typical componentsmaterials usedproduction stepsquality and reliability control
FE-Simulation of SMT-Components:recent example - the Hitap FCOB and substructuresgoalsmeshing / submodeling techniqueintroduction to strength of materials conceptscontents of an ABAQUS input filelifetime prediction
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FE-FCOB - Goals
development of a microelectronic control unit for “automotive applications” , i.e., operating temperatures T = 150°C and –45°C
design and reliability of the corresponding high temperature PCBoard?
lifetime of electrical connections therein (vias and microvias)?
development of thermal stresses/strains during temperature change within the vias and microvias?
accumulation of irreversible strains within the vias and microvias?
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FE-FCOB - Goalsloading and fatiguing the structure by means of thermal cyclingas follows:
183
150
-40
1 2 3 4 5 6 7 8
Temp (°C)
Steps
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OutlineSurface Mount Technology (SMT):
typical componentsmaterials usedproduction stepsquality and reliability control
FE-Simulation of SMT-Components:recent example - the Hitap FCOB and substructuresgoalsmeshing / submodeling techniqueintroduction to strength of materials conceptscontents of an ABAQUS input filelifetime prediction
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Meshing and Submodeling Technique Iglobal model - w/o heatsink
chipbase line: 6 x6 mmthickness: 0.53 mm
underfillthickness: 0.13 mm
solder stop maskthickness: 0.03 mm
ISOLA-boardthickness: 1.5 mm
chipunderfill
solder stop mask
ISOLA-board
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Meshing and Submodeling Technique IIglobal model - with heatsink
chipbase line: 6 x6 mmthickness: 0.53 mm
underfillthickness: 0.13 mm
solder stop maskthickness: 0.03 mm
ISOLA-boardthickness: 0.8 mm
gluethickness: 0.13 mm
heatsinkthickness: 1.5 mm
chipunderfill
solder stop mask
ISOLA-board
glue
heatsink
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Meshing and Submodeling Technique III
D1
D2
ISO
DW
L1: 0.25 mmD1: 0.1 mmD2: 0.075 mmDW: 0.015/0.027 mmISO: 0.06 mm
electrolyticallydeposited copper
board, Isola
solder stop mask, underfill
submodel of a microvia
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201143Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
submodel of a via
submodel base length: 1.0 mm
via wall thickness: 0.022 mm
via inner diameter: 0.256 mm
via inner diameter: 0.65 mm
via length (with heatsink): 0.8 mm
via length (w/o heatsink): 1.5 mm
Meshing and Submodeling Technique IV
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201144Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
positioning the submodels (μ-vias)
Meshing and Submodeling Technique V
x
y3
1
4
2 5 6
x,y positions in mm
1: 2.2 , 2.5 2: 0.0 , 2.353: 0.0 , 0.34: 2.91, 4.05: 0.0 , 4.06: 0.0 , 5.8
base length FE-modelchip: 3 mmboard: 6 mm
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positioning the submodels (vias)
Meshing and Submodeling Technique VI
x
y
4
5 6
x,y positions in mm
4: 2.91, 4.05: 0.0 , 4.06: 0.0 , 4.8
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Meshing and Submodeling Technique VIIthe reason for the positions of the submodels: the global deformation of the board
(magnification factor 40)
(magnification factor 5)
(step 5, -40°C)
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OutlineSurface Mount Technology (SMT):
typical componentsmaterials usedproduction stepsquality and reliability control
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Introduction to Strength of Materials Concepts Istress in generalstress = force per unit area dim[stress]=N/mm2
stress in 1D
FAAF
=σnormal stress:
FA
shear stress:AF
=τ
⇒
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Introduction to Strength of Materials Concepts IIstress in 2D
VF
stress tensor
xxσ
xxσ
yyσ
yyσ
yxσ
yxσ
xyσ
xyσ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛σσσσ
=σyyyx
xyxxij
1st index represents component of the unitnormal of the surface the force is applied to
2nd index represents componentof the force acting on a surface
x
y
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stress tensor - worked example I
Introduction to Strength of Materials Concepts III
x
yyyσ
yxσ
( ) 1,01,0 ==⇒= yx nnn
unit normaln
tThe force vector or “traction” can then be obtained from:
( ) yxyxxxyxyxxxxyx nntttt σ=σ⋅+σ⋅=σ+σ=⇒= 10,
yyyyxyyyyxyxy nnt σ=σ⋅+σ⋅=σ+σ= 10
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total force on a flank - worked example II
Introduction to Strength of Materials Concepts IV
xxσ
xyσ normal of the flank
( ) 0,10,1 ==⇒= yx nnn
xxyxxxxt σ=σ⋅+σ⋅=⇒ 01
xyyyxyyt σ=σ⋅+σ⋅= 01
short-hand notation:
jijj
jiji nnt σ=σ=∑=
2
1
automatic summation w.r.t. 1,2 for all indices that appear twice
x
y
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Introduction to Strength of Materials Concepts Vstress tensor in 3D
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
σσσσσσσσσ
=σ
zzzyzx
yzyyyx
xzxyxx
ij
symmetry: jiij σ=σ
,jiji nt σ=forces: { }{ }zyx
ji,,or
3,2,1,∈∈
this allows to assess the forces acting within a small piece of matterwithin a microelectronic component, e.g. the propensity for delamination
zzσ
x
z
y
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Introduction to Strength of Materials Concepts VIstrain in general
strain = change in length divided by the original lengthdim[strain] = [-] (dimensionless)
strain in 1D
⇒
F
lΔl
llΔ
=ε
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Introduction to Strength of Materials Concepts VIIstrain in 2D/3D
strain tensor - worked example
ix
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂
∂+
∂∂
=εi
j
j
iij x
uxu
21
: position vector , iu : displacement vector
FlΔl
1x2x
3x( )
ll
xu
xu
xu
lxlxuu Δ
=∂∂
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
+∂∂
=ε⇒Δ==1
1
1
1
1
111
1111 2
1
( ) 0011 ==xu ( ) llxu Δ==11
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Introduction to Strength of Materials Concepts VIIIHooke’s law in 1D
lΔl
A
ε=σ⇒Δ
=⇒=Δ EllE
AF
AEFll
σ
E : Young’s modulus , dim [ ]E 2mN
=
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Introduction to Strength of Materials Concepts IXexperimental verification of Hooke’s law
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Introduction to Strength of Materials Concepts XHooke’s law in 1D with thermal expansion
thel lll Δ+Δ=Δ
elastic thermal
part of elongationAEFll =Δ el
lTl th Δα=Δ
coefficient of thermal expansion
change in temperature
( )TETllE
AFTl
AEFll Δα−ε=σ⇒⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ Δα−Δ
=⇒Δα+=Δ
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201158Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Introduction to Strength of Materials Concepts XIHooke’s law in 2D/3D with thermal expansion
( ) , TC klklijklij Δα−ε=σ
Recall that an automatic summation is implied whenever two of the same indices appear.
ijklC : stiffness tensor , : CTE’sklα
For isotropic materials ( - Poisson’s ratio = lateral contraction coefficient):
( ) ( ) ( ) ( ), 1221 1 jkiljlikklijijklEEC δδ+δδν+
+δδν−ν+
ν=
ν
klkl αδ=α
( ) ( ) ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ δΔα−ε
ν−ν
+δΔα−εν+
=σ⇒ ijkkijijij TTE 3211
⎩⎨⎧
≠=
=δlklk
kl if,0if,1
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Introduction to Strength of Materials Concepts XIequilibrium of forces
0d0 =⇒=∑ ∫∫∂V
ii AtF
Using yields:,jiji nt σ=
0=∂
σ∂⇒
j
ji
x
Vx
AnV j
ji
Vjij dd0 ∫∫∫∫∫ ∂
σ∂=σ=
∂
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Introduction to Strength of Materials Concepts XIIcombining equilibrium and Hooke’s law
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ δε
ν−ν
+εν+
=σ ijkkijijE
211
0=∂
σ∂
j
ji
x
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂∂
+∂∂
=εi
j
j
iij x
uxu
21
⎪⎪⎪⎪
⎭
⎪⎪⎪⎪
⎬
⎫
( ) 021
112
22
=⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
∂∂∂
+∂∂
∂
ν−ν+ jj
i
ji
j
xxu
xxuE
Lamé-Navier equations:
numerical solution required: ABAQUS
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201161Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Introduction to Strength of Materials Concepts XIII1D incremental (time-independent) plasticity
yield condition: ( )plεσ=σ y
1D stress applied to material
yield stress (material specific)
loading rate unimportant
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201162Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Introduction to Strength of Materials Concepts XIV
3D incremental (time-independent) plasticity I
stays as is, but: the 1D stress is replaced by a suitablecombination of all the components of the stress tensor, e.g. by the Huber-von Mises-Hencky equivalent stress:
,ijijSS23
eq =σ ijkkijijS δσσ31def.
−=
the yield condition:
( )plεσ=σ y
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201163Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
3D incremental (time-independent) plasticity II
Introduction to Strength of Materials Concepts XV
linear elasticity: incremental plasticity:
0=∂
σ∂
j
ji
x
klijklij C ε=σ
( )( )( )
( )ν+δδ+δδ
+ν−ν+
δνδ=
12
21 1
jkiljlik
klijijkl
E
EC
( ) ( )⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +++
−=
EE
SESCC
Ty
klijijklijkl
3121 12
3
2
el/pl
νσν
(tangent modulus)
numerical solution required: ABAQUS
0=∂∂
j
ji
xσ&
klijklij C εσ && el/pl=
plεσ && TE=
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201164Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
E.g., hardness (intuitive definition):Resistance of a material to surface penetration under mechanical load using an indentermade of a highly rigid material with a specifically shaped tip, e.g., a diamond pyramid (Vickers, HV, Berkovich HN, Knoop, HK) or a sphere (Brinell, HB)
Introduction to Strength of Materials Concepts XVIExperimental determination of local material properties I
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Setup and Way of Operation of the Nanoindenter
Diamond (Berkovich Indentor)
x
z
y
Wheatstone Bridge:2 Condensors: C1, C22 Resistors: R1, R2
Pendulum Weight
Limit Stop for thePendulum
Pendulum
Motion of Pendulum
Joint
Specimen
Specimen Support
Condensor (C1)
CoilPermanent Magnet
NanoindenterNanoindenter LOT MicrosystemsLOT Microsystems
Introduction to Strength of Materials Concepts XVIIExperimental determination of local material properties II
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(a) Vickers microhardness: the applied load and the dimensionsof the impression after the load has been removed.
(b) Berkovich nanoindentation: the diamond indentation depth as a function of the applied load during load-unload cycle.
Experimental determination of local material properties IIIWhat do we record?What do we record?
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201167Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Vickers hardness is defined as the ratio of the load and the actual surface area of the permanent impression:
APHV =
PA
Nanoindentation hardness is defined by the ratio:
being the peak load and being the projected indentation area.
To compare we may write:
proj
max
APHN =
maxP projA
HNA
AHNHV <= proj
Experimental determination of local material properties IVHardness can easily be computedHardness can easily be computed
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201168Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Young’s (reduced) modulus (Bulychev et al. 1973, Oliver & Pharr, 1990):
Yield strength (Fischer-Cripps, 2002):
i
i
rr EEEh
PSASE
22
proj
111,dd,
2ννπ −
+−
===
( )HNy ασ
+=
123
( ) ⇒=+= ijijyHN σσσατ23,12 max
α =70.3° effective cone angle
Experimental determination of local material properties VNanoindentation/ -hardness can be used to determineother mechanical properties
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201169Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Experimental determination of local material properties XMaterials & Structures investigated (V)
Material properties of interface layer materials in solder connections ?
⇒ Cast intermetallics: Ag3Sn, Cu3Sn, Cu6Sn5, (Cu,Ni)3Sn, (Cu,Ni)6Sn5, and Ni3Sn4 (K. Müller, NM-Bayreuth)
Porosity !
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201170Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Experimental determination of local material properties XIMaterials & Structures investigated (VI)
In situ-study of microelectronic connectionSnAgCu solder balls of a mounted CSPDie sides with Ni/Au finish, PCB-sides OSP-treatedformation of a Ni3Sn4 layer after first and substitute compounds such as (Cu,Ni)6Sn5after second reflow at die side
highly planar interface regiongood for nanoindents across interface
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201171Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Pure intermetallic phases (I)
Test Setup:
depth controlled: max. depth= 1800 nmindents per grid:
7 x 7 indents = 49 indentshorizontal and vertical distance
between indents: 0.5 mm
0.5mm
0.5mm
Experimental determination of local material properties XII
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201172Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Experimental determination of local material properties XIIIPure intermetallic phases (II): Hardness
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
Ag3Sn Cu3Sn Cu6Sn5 (CuNi)3Sn (CuNi)6Sn5 Ni3Sn4
hard
ness
[GPa
]
HN (rescaled)Vickers HV0.2
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201173Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Pure intermetallic phases (III): More Hardness
1
2
3
4
5
6
7
0 200 400 600 800 1000load [g]
hard
ness
[GPa
]
Ag3Sn
Cu3Sn
Cu6Sn5
Ni3Sn4
including data by Ghosh (2003, Northwestern)
hardness depends on indentation load, overall material characteristic !
Experimental determination of local material properties XIV
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201174Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Pure intermetallic phases (IV): Young’s modulus
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Ag3Sn Cu3Sn Cu6Sn5 (Cu,Ni)3Sn (Cu,Ni)6Sn5 Ni3Sn4
You
ng´s
mod
ulus
[GPa
]
nanoindentationultrasound
Experimental determination of local material properties XV
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201175Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Pure intermetallic phases (V): Poisson’s ratio
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
Ag3Sn Cu3Sn Cu6Sn5 (CuNi)3Sn (CuNi)6Sn5 Ni3Sn4
Pois
son'
s rat
ioExperimental determination of local material properties XVI
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Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, e-mail: [email protected], 201176Projekt zur finiten Elementmethode. TU Berlin, 0530 L 164, SS 2011
Test Setup:
depth controlled: max. depth= 1800 nmthree series of indentsindents per grid:
typically 8 x 9 or 9 x 9 indentssmall spacing to position indent inregion of intermetallic phases
SnAgCu Solder Ball: Die Interface (I)
NiIMC SnAgCu
Cu
Experimental determination of local material properties XVII
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0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
Cu Ni IMC SnAgCu
HN
[GPa
]
ball 1, array 1ball 2, array 1ball 2, array 2literature/own data
SnAgCu Solder Ball: Die Interface (II)
very small values !
Experimental determination of local material properties XVIII
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SnAgCu Solder Ball: Die Interface (III)
0
50
100
150
200
250
Cu Ni IMC SnAgCu
You
ng´s
mod
ulus
[GPa
]
ball 1, array 1ball 2, array 1ball 2, array 2literature
small but not too small !
Experimental determination of local material properties XIX
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56.24=κ
proj
max
APHN =
WOI
Determination of yield stress by direct and Work-Of-Indentation (WOI) approach
since:
( )HNy ασ
+=⇒
123
WOIlit. est.
proj
max
APHN =
SnAgCu
( ) maxmax
max
0
2
31d PhhhPWhcP
h
h
==⇒⋅= ∫=
( ) maxmax22
3max
proj
max ,9 h
hhh
WP
hAP
HN rc
c
≈=== ββκ
Experimental determination of local material properties XX
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OutlineSurface Mount Technology (SMT):
typical componentsmaterials usedproduction stepsquality and reliability control
FE-Simulation of SMT-Components:recent example - the Hitap FCOB and substructuresgoalsmeshing / submodeling techniqueintroduction to strength of materials conceptscontents of an ABAQUS input filelifetime prediction
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Contents of an ABAQUS Input File I
Four Important Ingredients to an ABAQUS Input File
node and element section
definition of symmetry andboundary conditions
material properties section
definition of loading conditions
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Contents of an ABAQUS Input File II
node section
*NODE, NSET=ALL, SYSTEM=R 1,-3.6780360E-06,-5.1910880E-06, 6.4000000E-01 2,-3.0000000E+00,-3.0000000E+00, 6.4000000E-01 3,-3.6780360E-06,-2.7303920E-01, 6.4000000E-01 4,-3.6780360E-06,-5.3024260E-01, 6.4000000E-01 5,-3.6780360E-06,-7.6296500E-01, 6.4000000E-01 6,-3.6780360E-06,-9.7083440E-01, 6.4000000E-01 7,-3.6780360E-06,-1.1585370E+00, 6.4000000E-01 8,-3.6780360E-06,-1.3326420E+00, 6.4000000E-01 9,-2.8500000E+00,-3.0000000E+00, 6.4000000E-01 ...
node number (x,y,z)-coordinates of the nodes
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element section
Contents of an ABAQUS Input File III
*ELEMENT, TYPE=C3D20R , ELSET=CHIP 261, 72, 69, 160, 162, 713, 707, 889, 892, 5617, 5618, 5543, 5619, 7259, 7260, 7261, 7262, 7263, 7264, 7265, 7266 262, 713, 707, 889, 892, 714, 708, 890, 893, 7259, 7260, 7261, 7262, 7267, 7268, 7269, 7270, 7271, 7272, 7273, 7274 263, 69, 70, 8, 160, 707, 709, 604, 889, 5620, 5621, 5536, 5618, 7275, 7276, 7277, 7260, 7264, 7278, 7279, 7265 ...
element number numbers of the nodes thatconstitute the element
name of the element setelement type: 20 nodes
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Contents of an ABAQUS Input File IV
which symmetry and boundary are required?
fix corner nodein all directions make these nodes
move such thatsurface does not bend
these may moveonly up and down
nodes on side flanksmay not move perpendicularly
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Contents of an ABAQUS Input File Vsymmetry and boundary conditions I
*TRANSFORM,NSET=XYSYM,TYPE=R 1, 1, 0, -1, 1, 0
transformation of side flank nodal coordinates
*EQUATION 2, 1654, 2, 1.0, 5461, 2, -1.0 2, 1657, 2, 1.0, 5461, 2, -1.0 ...
keeping front face of board straight
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Contents of an ABAQUS Input File VI
symmetry and boundary conditions II
*BOUNDARY,OP=NEWBS000001, 1,, .00000E+00BS000002, 1, 2, .00000E+00 5164, 1, 3, .00000E+00 XYSYM, 2,, .00000E+00
name of node sets direction of constraintmagnitude
of constraint
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material properties section I
Contents of an ABAQUS Input File VII
all materials were treated as linear-elastic (except the copper) with temperature dependent coefficients, e.g. the board:
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material properties section II
Contents of an ABAQUS Input File VIII
*MATERIAL,NAME=BOARD*ELASTIC,TYPE=ENGINEERING CONSTANTS 1.4218E+4, 1.4218E+4, 7.109E+3, 1.500E-01, 4.000E-01, 4.000E-01, 6.182E+3, 2.539E+3, 2.539E+3, 223 1.3116E+4, 1.3116E+4, 6.558E+3, 1.500E-01, 4.000E-01, 4.000E-01, 5.703E+3, 2.342E+3, 2.342E+3, 298...
stiffness coefficients of the board (anisotropic),Ex, Ey, Ez, νxy , νxz, νyz at different temperatures
*EXPANSION,TYPE=ORTHO
1.7E-05, 1.7E-05, 5.1E-05
expansion coefficients of the board (anisotropic) αx , αx, αz
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material properties section III
Contents of an ABAQUS Input File IX
strain [-]
stre
ss [M
Pa]
stress-strain curves for electrodeposited copper
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material properties section IV
Contents of an ABAQUS Input File X*MATERIAL,NAME=COPPER*ELASTIC,TYPE=ISOTROPIC4.5086E+4, 0.34, 2084.3823E+4, 0.34, 2934.3994E+4, 0.34, 3933.9285E+4, 0.34, 4733.1028E+4, 0.34, 5732.1440E+4, 0.34, 673*EXPANSION,TYPE=ISO1.76E-5*PLASTIC156.0, 0.0, 208173.0, 0.02154, 208149.0, 0.0, 293163.4, 0.02160, 293146.5, 0.0, 393154.0, 0.02167, 393121.0, 0.0, 473127.0, 0.02192, 47387.5, 0.0, 57392.3, 0.02218, 57357.7, 0.0, 67363.5, 0.02231, 673
Young’s modulus,Poisson’s ratio overtemperature
CTE
yield stress vs.plastic strain overtemperature
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OutlineSurface Mount Technology (SMT):
typical componentsmaterials usedproduction stepsquality and reliability control
FE-Simulation of SMT-Components:recent example - the Hitap FCOB and substructuresgoalsmeshing / submodeling techniqueintroduction to strength of materials conceptscontents of an ABAQUS input filelifetime prediction
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typical plastic deformation of a via Lifetime Prediction I
183
150
-40
1 2 3 4 5 6 7 8
Temp (°C)
Steps
steady increaseor saturationof equivalent
plastic strain (PEEQ):
∫ εε=ε tijij d32 plplpl
eq &&
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typical plastic deformation of a microvia
Lifetime Prediction II
183
150
-40
1 2 3 4 5 6 7 8
Temp (°C)
Steps
steady increaseor saturationof equivalent
plastic strain (PEEQ):
∫ εε=ε tijij d32 plplpl
eq &&
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calculation of lifetime of plastically strained electrolyticallydeposited copper (Barker and Dasgupta, 1993):
Lifetime Prediction III
( ) ( ) 6.0155.0pl
2398.0201883.02
−− +=εΔ
ff NN
the increment of plastic strain accumulatedin a TCT -40°C/150°C/-40°C determines
the number of cycles to failure fN
plεΔ
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Seite 95 Dr.-Ing. Tilman EckertProf. Dr. W.H. Müller
Lebensdauermodellierung Temperaturwechsel
1. Simulation des Aufbaus (FEA: Materialparameter, Lastbedingungen, Geometrie)
2. Extraktion der Schadensparameter 3. Einsetzen in Lebensdauergesetz (c1, c2, c3, c4 materialabhängig)4. Prognose Nf,TW - Zahl der Temperaturwechsel bis zum Ausfall
Schadensparameter (FEA)
Beschleunigte Laborbedingungen
Feldbedingungen
log(Δεp)log(ΔW)
Eckert, T., Tetzner, K., Bochow-Ness, O., Müller, W.H., Reichl, H., “Sensitivity Analysis of Technological Fabrication Tolerances on the Lifetime of Flip-Chip Solder Joints,” Proc. IEEE EuroSimE, Delft, 2009
L
h
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Quelle:Darveaux et al., in BGA, Lau (ed.), 1995
Life time of solder balls after Darveaux:Combination of FE simulation and experiment
( ) 626,050 1036,1 −
⋅= crWN Δ
( ) 915,0101016,4dd −−⋅= crWNa Δ
crack initiation
crack growth
Lifetime Prediction IV