The Influence of design parameters on solder joint reliability in electronic packages
Tasarım parametrelerinin elektronik paketlerde kullanılan lehim bağlantılarının güvenilirliğine etkisi
- Tez No: 112239
- Danışmanlar: PROF. DR. AYBARS ÇAKIR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2001
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
TASARIM PARAMETRELERİNİN ELEKTRONİK PAKETLERDE KULLANILAN LEHİM BAĞLANTILARININ GÜVENİLİRLİĞİNE ETKİSİ ÖZET Klasik bir elektronik paket, genellikle, çip (Entegre devre cipi), yapıştırma bağlantısı, çip taşıyıcı ve kaplama bileşeninden meydana gelir. Elektronik paketlerin esas görevleri: entegre devre (IC) cipi üzerinden devreye güç iletimini sağlayan elektrik akımı için bir yol temin etmek, sinyallerin IC cipine giriş ve çıkış dağıtımını yapmak, devrelerin meydana getirdiği ısıyı ortadan kaldırmak ve IC cipini çevredeki zararlı etkilerden korumak ve desteklemektir. Güç dağıtımı, IC cipinin görevini yerine getirmesi için gerekli olan elektrik akımını dağıtmayı ve istenen duruma getirmeyi temin eder. Sinyal dağıtımı, bir modül içindeki çeşitli bileşenler arasındaki elektriksel bağlantıyı temin eder ve montajın daha sonraki seviyeleri için ara yüzeyler oluşturmayı sağlar. Elektronik bileşenler tarafından meydana getirilen ısının ortadan kaldırılması, bileşenlerin uygun sıcaklık aralığında kalmaları bakımından çok gereklidir. Devrenin korunması, mekanik desteği ve nem, toz, kirlilik gibi çevredeki zararlı etkilerden korunması kadar fiziksel hasarlardan korumayı da temin eder. Elektronik paketleme teknolojisinde, elektronik paketlerin Baskı Devre Kartına (Printed Circuit Board) montajını kolaylaştıran, lehim bağlantılı flip çip teknolojisi, lehim toplarının belli düzenlerde yerleştirildiği (BGA) teknolojileri ve cipin doğrudan karta takıldığı çip-scale paketleme (CSP) teknolojileri, v.s. gibi çok sayıda ileri paketleme seçenekleri mevcuttur. Bunlar, yüzeye monte tekniğinin kullanıldığı teknolojilerdir (SMT). Ayrıca kullanılan çip taşıyıcılarının malzemelerine bağlı olarak, lehim toplarının belli düzenlerde yerleştirildiği (BGA) çok sayıda teknoloji mevcuttur. Bunlardan bazıları; seramik BGA (CBGA), otomatik bantla birleştirilmiş BGA (TBGA), plastik BGA (PBGA), metal BGA (MBGA) ve gamzeli BGA (DBGA)'dir. Lehim bağlantıları, elektronik paketleme teknolojilerinde, paketlerin elektriksel ve mekanik olarak baskı devre kartına takılması için tek yoldur. Bu sebeple, lehim bağlantılarının güvenilirliği elektronik paketleme ve parçaların birbirine bağlanmasındaki en önemli konulardan birisidir. Lehim alaşımları, farklı ısıl genleşme katsayılarına sahip, farklı parçaların birbirine bağlanmasında kullanılırlar. Sistemin bağlantısı tamamlandıktan sonra, parçalar, çalışma sırasında meydana gelen sıcaklık değişimlerinden dolayı periyodik ısıl gerilmelere maruz kalırlar. Bunun sebebi, birleştirilen parçaların malzemelerinin ısıl genleşme katsayılarının birbirine uygun olmamasıdır. Kullanım sıcaklığında, lehim bağlantıları erime noktalarının yarısının üzerinde olduğu için, lineer olmayan (visko plastik) sürünme meydana gelir.Lehim bağlantısının hasara uğrama mekanizması, çatlak başlangıcı ve çatlağın birleştirme boyunca ilerleyerek kırılmasıdır. Çatlakların konumu ve doğası, birleştirmenin konfigürasyonu, metallerin iç yapısı, birim uzama, birim uzama hızı ve ısıl yüklemeye bağlıdır. Elektronik sanayinde yapılan çok sayıdaki deneysel çalışmalara dayanarak, lehim bağlantısının hasara uğrayacağı periyot sayısı, genellikle, ömür tahmini modelinin bir parçası olan ampirik sabitler yardımıyla, birim hacme düşen ortalama plastik iş yoğunluğu metoduduyla tahmin edilir. Yapılan çalışma, tasarım parametrelerinin hangisinin lehim bağlantılarının ömrüne etkisinin en fazla olduğunun hesaplanması ile ilgilidir. Tasarım parametreleri, lehim hacmi, çip kalınlığı, çip boyutları, dolgu kalınlığı, dolgu boyutları, kaplama bileşeni, kaplama boyutları ve çip taşıyıcı kalınlığıdır. Ortalama plastik iş ile tasarım parametreleri arasında fonksiyonel bağıntılar oluşturulur. Elektronik sanayindeki şirketlerden temin edilen üç farklı tip elektronik paket özellikleri kullanılarak çalışmalar yapılmıştır. Malzeme özellikleri, metodoloji ve sınır koşulları her paketin analizinde aynı alınır. Paket bağlantıları için, üç boyutlu lineer olmayan sonlu eleman modelleri oluşturularak analizler yapılır. Lehim malzemesi viskoplastik katı, baskı devre kartı ortotropik lineer elastik katı ve kalan malzemeler de lineer elastik katı olarak modellenir. Her hesaplamada, kararlı bir gerilme-birim uzama histerizıs çevrimi elde etmek için ısıl periyotlar simüle edilir. Bu paketler, belli sıcaklık periyotlarına maruz bırakılırlar. Her bir paketin sonlu eleman analizinde, çip taşıyıcı, baskı devre kartı ve lehim topları için daha kaba bir ağ oluşturulan lineer olmayan global model meydana getirilir ve en kritik lehim bağlantısı belirlendikten sonra elektronik paketin o kısmı için lineer olmayan bir alt model oluşturulur. Alt modeldeki kritik lehim bağlantısı, son periyodun sonundaki elastik olmayan (plastik) iş yoğunluğu miktarına dayanarak belirlenir. Alt modelde daha ince (sık) ağ kullanılır. Alt modeldeki sınır yerdeğiştirme koşullan, sınır interpolasyonu metodu tatbik edilerek doğrudan global modelin analiz sonuçlarından hesaplanır. Çatlağın başlayacağı periyot sayısı ve her periyottaki çatlak ilerleme hızlarının ikisi de plastik iş yoğunluğu ile ilişkilendirilir. Çatlak başlangıcı ve ilerlemesi sabitleri ve karakteristik çatlak uzunluğu kullanılarak, lehim bağlantısının hasara uğrayacağı periyot sayısı hesaplanır. Ömür tahmini metodunda kullanılan ampirik sabitler doğrudan sanayiden alınmıştır.
Özet (Çeviri)
THE INFLUENCE OF DESIGN PARAMETERS ON SOLDER JOINT RELIABILITY IN ELECTRONIC PACKAGES SUMMARY A typical electronic package generally consists of a die (Integrated Circuit chip), die attach, substrate and molding compound. The major functions of an electronic package are: to provide a path for the electrical current that powers the circuits on the Integrated Circuit (IC) chip, to distribute the signals onto and off of the IC chip, to remove the heat generated by the circuits and to support and protect the IC chip from environmental hazards. Power distribution involves the distribution and conditioning of the electrical current necessary for the ICs to function. Signal distribution involves creating electrical connections between various components in a module and providing interfaces to the next level of assembly. Thermal management is necessary to remove heat generated by the electronic components so that they stay within an allowable temperature range. Circuit protection involves mechanical support and protection from physical damage as well as protection from environmental hazards such as moisture, contaminants or ionizing radiation. There are many electronic packaging technologies that have facilitated Printed Circuit Board (PCB) assembly choices that have advanced packaging developments, e.g. solder-bumped flip-chip technology, solder Ball Grid Array (BGA) technology and solder Chip-Scale Packaging (CSP) technology. These are all Surface Mount Technology (SMT) assemblies. There are also many kinds of BGAs depending on their substrates. These are ceramic BGA (CBGA), tape-automated bonding BGA (TBGA), plastic BGA (PBGA), metal BGA (MBGA), and dimple BGA (DBGA), etc. For these electronic packaging the solder joint is the only mechanical and electrical way of attaching them to the PCB. Because of this, solder joint reliability is one of the most important issues in electronic packaging and interconnect systems. Solder alloys are used to bond dissimilar materials that have different thermal expansion coefficients. Once the structure is bonded together, the components are subjected to cyclic thermal stresses due temperature changes during operation. These stresses arise from mismatch in thermal expansion coefficients. Because the solder is above half of its melting point at room temperature, it presents a nonlinear creep (viscoplastic) response. The actual mechanism by which a solder joint fails is due to crack initiation and propagation through a joint. The location and nature of the cracks depend on the joint configuration, intermetallic structure, strain, strain rate and thermal loading.Based on extensive testing in electronics industry, the number of cycles to solder joint is usually predicted based on the volume weighted average plastic work density in conjunction with empirical constants as part of a life prediction model. This study concerns the determination of design parameters with the largest impact on the solder joint life. The design parameters consist of the amount of the solder volume, die thickness, die size, pad thickness, pad size, mold compound, mold size and substrate thickness. Functional relationships between the average plastic work and these design parameters are established. This is achieved by considering three different package types provided by the companies in the electronics industry. The material properties, methodology and boundary conditions are consistent in each package analysis. The analysis is conducted by constructing three dimensional nonlinear finite element models of the package assemblies. The solder material is modeled as a viscoplastic solid, the printed circuit board as orthotropic linear elastic solid and the rest of the materials as linear elastic solids. In each calculation, thermal cycles are simulated in order to establish a stable stress-strain hysteresis loop. These packages are subjected to a specified temperature cycle. In the finite element analysis of each package, a nonlinear global model with a relatively coarse mesh for the substrate, printed circuit board and the solder balls provides the critical joint for the subsequent nonlinear sub modeling of the critical solder joint. The critical joint for sub modeling is identified based on the amount of inelastic (plastic) work density at the end of the last cycle. The sub modeling permits refinement of the mesh. The displacement boundary conditions are determined from the solution of the global analysis through the use of cut boundary interpolation method. The number of cycles to crack initiation and the crack growth rate per cycle are both correlated with plastic work density. Using the crack initiation, growth constants and characteristic crack length, the number of cycles to solder joint failure is calculated. The empirical constants used in the life prediction model are well accepted in industry.
Benzer Tezler
- Kriging interpolasyonu kullanan vekil modeller ile gemi kıç formunun viskoz direnç yönünden optimizasyonu
Aft form optimization of ships for minimum viscous resistance by using kriging metamodeling technique
HAYRİYE PEHLİVAN SOLAK
Doktora
Türkçe
2020
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER GÖREN
- Bir ticari taşıtın makas gözü bağlantı parçasının optimizasyonu ve yapısal analizler ile tasarımın doğrulanması
Leaf spring eye bracket optimization of a commercial vehicle and verification of design by structural analyses
BARIŞ ÇALIŞKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ZEYNEP PARLAR
- Thermal underhood analysis of a heavy commercial vehicle using open source CFD package openFOAM
Başlık çevirisi yok
ÇAĞATAY EMRE AYHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALTUĞ MELİK BAŞOL
- Numerical investigation of the influence of sweep and lean on a transonic axial compressor rotor
Transonik eksenel kompresör rotorunda uygulanan 'sweep' ve 'lean' methodlarının aerodinamik etkilerinin nümerik yaklaşımlar ile incelenmesi
HASAN BERK GÜÇLÜ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYDIN MISIRLIOĞLU
- Eksenel fanlarda rotor-stator etkileşim yüzeyi modellerinin ve kanat profillerine kaydırma uygulamasının performansa etkileri
The influence of rotor-stator frame change models and applying sweep method to blade profiles on axial fan performance
ERİM TAYLAN ÇAKIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU