This paper describes the thermal fatigue life prediction models for 95.5Sn-4.0Ag-0.5Cu solder joints of Flip chip package considering Under Bump Metallurgy(UBM). A 3D Finite element slice model was used to simulate the viscoplastic behavior of the solder. For two types of solder bump pitches, simulations were analyzed and the effects of underfill packages were studied. Consequently, it was found out that solder joints with underfill had much better fatigue life than solder joints without underfill, and solder joints with $300{\mu}m$ bump pitch had a longer thermal fatigue life than solder joints with $150{\mu}m$ bump pitch. Through the simulations, flip chip with lead-free solder joints should be designed with underfill and a longer bump pitch.
A miniature single solder ball joint is designed to mimic the actual solder joints used in the micro-electric industries. Shear tests were conducted to evaluate the mechanical behavior of miniature single solder joints at intermediate strain rates from $0.019\;s^{-1}$ to $2.16\;s^{-1}$ at room temperature. The shear fracture strength of the present solder ball joints generally increased with increasing shear strain rate, ranging from 32 to 51MPa. This behavior is affected by the sensitivity of bulk solder strength to strain rate. Shear fracture mode changed from brittle to partial ductile (failure inside the bulk solder) with an increase of shear speed. The unloading shear fracture toughness is generally consistent with the measure of the amount of bulk solder on the fractured surface.
In this study, properties of Pb-free solders for automotive electronics parts were discussed. Lead-free solders for electronics became important after RoHS (Restriction of the use of certain Hazardous Substances) to avoid environmental pollution. Also the growing electronic rate in automotive parts and ELV (End-of Life Vehicles) make Pb-free solder for automotive electronics to be inevitable trend. Definitely, Pb-free solder for automotive electronics should have good wettability, basic strength, but need more reliability than other solders, since it has harsh condition like high temperature, humidity and engine vibration. Thus, shear strength test, thermal shock, drop test and many others are needed to ensure the high reliability. This study describes the properties and requirements of Pb-free solders for automotive electronics.
RoHS, WEEE 등에서의 각종 환경문제에 대한 제약으로 Pb의 사용에 대한 규제가 점차 증가 하고 있다. 따라서 무연 솔더에 대한 관심이 증폭되고 있으며, 마이크로 전자공학 산업에서 무연 솔더를 사용하기 위해서는 여러 가지 새로운 신뢰성 평가기준을 요구한다. 예를 들어 높은 온도공정을 만족하는 패키지, 새로운 솔더가 야기하는 복잡한 기계적 고장, 그리고 제품 수명을 최대한 유지시켜 줄 수 있는 무연 솔더 소재의 선택을 포함한다. 본 연구에서는 국내산 솔더바 소재를 사용하여 접합부의 기계적 특성 및 젖음성, 퍼짐성 등의 품질평가 방법을 해외규격과 비교하여 시험하고 새로운 평가기준을 찾고자 하였다. 젖음성 및 퍼짐성 시험 결과 Sn-0.7Cu 무연 솔더 소재는 평가기준을 충분히 만족하였다. 또한 이 소재를 사용한 솔더 접합부의 전단시험 결과, 열충격 및 고온방치 시험 후에도 솔더링 상태의 초기강도와 비교하여 접합부의 전단강도가 크게 저하하지 않은 상태에서 기준치를 크게 상회하였다.
As solder becomes small and fine, the reliability and solderability of solder joint are the critical issue in present electronic packaging industry. Besides the use of lead(Pb) containing solders for the interconnections of microelectronic subsystem assembly and packaging has enviromental problem. In this study, using Sn/Pb and Sn/Ag eutectic solder paste, in order to obtain decrease of solder joint strength with increasing aging time, initial solder joint strength and aging strength after 1000 hour aging at $100^{\circ}C$ were measured by peel test. And in order to obtain the growth of intermetallic compound(IMC) layer thickness, IMC layer thickness was measured by scanning electron microscope(SEM). As a result, solder joint strength was decreased with increasing aging time. The mean IMC layer thickness was increased linearly with the square root of aging time. The diffusion coefficient(D) of IMC layer was found to $1.29{\times}10^{-13}{\;}cm^2/s$ at using Sn/Pb solder paste, 7.56{\times}10^{-14}{\textrm}{cm}^2/s$ at using Sn/Ag solder paste.
Environmentally benign lead-free solder coated ribbon (e. g. SnCu, SnZn, SnBi${\cdots}$) has been intensively studied to interconnect cells without lead mixed ribbon (e. g. SnPb) in the crystalline silicon(c-Si) photovoltaic modules. However, high melting point (> $200^{\circ}C$) of non-lead based solder provokes increased thermo-mechanical stress during its soldering process, which causes early degradation of PV module with it. Hence, we proposed low-temperature conductive paste (CP) based tabbing method for lead-free ribbon. Modules, interconnected by the lead-free solder (SnCu) employing CP approach, exhibits similar output without increased resistivity losses at initial condition, in comparison with traditional high temperature soldering method. Moreover, 400 cycles (2,000 hour) of thermal cycle test reveals that the module integrated by CP approach withstands thermo-mechanical stress. Furthermore, this approach guarantees strong mechanical adhesion (peel strength of ~ 2 N) between cell and lead-free ribbons. Therefore, the CP based tabbing process for lead free ribbons enables to interconnect cells in c-Si PV module, without deteriorating its performance.
This study is focussed on the numerical prediction of the thermal fatigue life of a ${\mu}BGA$(Micro Ball Grid Array) solder joint. Numerical method is used to perform three-dimensional finite element analysis for Sn-37mass%Pb. Sn-3.5mass%Ag solder alloys during the given thermal cycling. Strain values, along with the result of mechanical fatigue tests for solder alloys were then used to predict the solder joint fatigue life using the Coffin-Manson equation. In this study, a practical correlation for the prediction of the thermal fatigue life is suggested by using the dimensionless variable $\gamma$. As a result. it could be found that Sn-3.5mass%Ag has longer fatigue life than Sn-37mass%Pb in low cycle fatigue. In addition. the result with ${\gamm}ashow$a good agreement with the FEA results.
We have studied the effects of Ag on the characteristics of $Sn_{43}Bi_{57}Ag_x$(wt%) lead-free solders for photovoltaic ribbon. Ag atoms in the solder formed an alloy phase of Ag3Sn after reacting with some part of Sn atoms, while they did not react with Bi atoms, but decreased the mean size of Bi solid phase and the thickness of solder. When Ag atoms of 3.0 wt% was added to eutectic $Sn_{43}Bi_{57}$(wt%) solder, it showed the optimally useful results that the peel strength of photovoltaic ribbon greatly increased and the sheet resistance of the solder decreased. In the meanwhile, the eutectic $Sn_{43}Bi_{57}$(wt%) solder showed a low melting temperature of $138.9^{\circ}C$, and showed a very similar result regardless of the added amount of Ag atoms.
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.
A lack of study on the dynamic tensile strengths of Sn-based solder joints at high strain rates was the motivation for the present study. A modified miniature Charpy impact testing machine instrumented with an impact sensor was built to quantitatively evaluate the dynamic impact strength of a solder joint under tensile impact loading. This study evaluated the tensile strength of lead-free solder ball joints at strain rates from $1.8{\times}10^3s^{-1}$ and $8.5{\times}10^3s^{-1}$. The maximum tensile strength of the solder ball joint decreases as the load speed increases in the testing range. This tensile strength represented that of the interface because of the interfacial fracture site. The tensile strengths of solder joints between Sn-3.0Ag-0.5Cu and copper substrate were between 21.7 MPa and 8.6 MPa in the high strain range.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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