ISBN 978-3-8439-3845-7

978-3-8439-3845-7, Reihe Ingenieurwissenschaften

Paul Wild
Untersuchungen zur Porenbildung in bleifreien Lötverbindungen und deren Einfluss auf die Zuverlässigkeit unter Wechselbelastung

180 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2018), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt die Porenbildung und den Einfluss der Poren auf die Zuverlässigkeit von SMD-Lötstellen auf MID- und FR4-Substraten sowie von Bumplötungen auf FR4 unter thermischer Wechselbelastung. Im ersten Teil der Arbeit wurden experimentelle Untersuchungen der Porenbildung in den Lotdepots, SMD- und Bumplötstellen durchgeführt. Die Ergebnisse für Lotdepots aus SAC305 zeigen, dass die Porenbildung in Lotdepots signifikant von der Auswahl der Oberfläche abhängt.

Der mittlere Porenflächenanteil im Standoff der CR0805-, MLF20- und Schalterlötstellen auf allen Substrattypen und für alle Lötverfahren lag im Bereich 0 bis maximal 15 %. Der anschließende beschleunigte Temperaturwechseltest nach JESD22-A104D mit einem Temperaturhub von 45°C bis +125°C belegte, dass für keine Kombination des SMD- und Substrattyps ein signifikanter Zusammenhang zwischen dem Porenanteil und der charakteristischen Lebensdauer vorlag.

Um Aussagen über den nachweisbaren Porenanteil in CR0805-Lötstellen treffen zu können, wurden im zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit auf Basis der experimentellen Untersuchungen FEM-Simulationen durchgeführt. Ein bis auf 50 % Porenflächenanteile erweitertes probabilistisches Modell demonstrierte mit dem steigenden Porenanteil einen Trend zu einer geringeren Zuverlässigkeit der Lötstellen, aber dieser Trend ist unter Berücksichtigung der Vertrauensbereiche erst für Porenanteile ≥ 40% signifikant.

Bei MID auf FR4-Baugruppen wurden Bumplötungen mit den mittleren Porenflächenanteilen von 0 bis 15,3 % realisiert. Es zeigt sich, dass durch die Geometrieänderung der Bumpkontaktierungen die Porenbildung sowohl im Standoff als auch im Meniskus der Lötstelle reduziert werden kann. Die Ergebnisse des beschleunigten Temperaturwechseltests von -45°C bis +125°C an diesen Baugruppen demonstrieren einen signifikanten Zusammenhang zwischen dem Porenflächenanteil und der charakteristischen Lebensdauer.

Im Rahmen der Sensitivitätsanalyse zur Bildung eines probabilistischen Modells für MID auf FR4-Baugruppen wurden aus zwölf Geometrie- und Materialparametern nur drei als signifikant eingestuft. Das nachfolgende DoE belegte, dass die Poren im Meniskusbereich einen großen Einfluss auf die Lebensdauer aufweisen. Insgesamt können die probabilistisch aufgestellten Lebensdauermodelle für MID auf FR4-Baugruppen den experimentell nachgewiesenen Einfluss der Poren auf die Zuverlässigkeit gut wiedergeben.