Modellazione dell'affidabilità della vita a fatica del piombo

Jul 21, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2493 (2023) Citare questo articolo

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L'affidabilità dei materiali di interconnessione microelettronica per i pacchetti elettronici ha un impatto significativo sulle proprietà di fatica degli assemblaggi elettronici. Ciò è dovuto alla correlazione tra l'affidabilità dei giunti di saldatura e le modalità di guasto più frequenti riscontrate nei dispositivi elettronici. Grazie alle loro proprietà meccaniche e di fatica superiori, le leghe SAC hanno soppiantato le leghe di saldatura al piombo come uno dei materiali di saldatura più comunemente utilizzati come giunti di interconnessione sui pacchetti elettronici. Lo scopo principale di questo studio è quello di sviluppare un modello di previsione della vita a fatica dei giunti di saldatura in funzione delle condizioni sperimentali. Utilizzando una configurazione sperimentale personalizzata, viene applicato un test di taglio a fatica accelerato per esaminare la durata a fatica dei singoli giunti di saldatura SAC305 nelle condizioni di impostazione reali. Nel veicolo di prova studiato vengono utilizzate la finitura superficiale OSP e la maschera di saldatura definite. La prova di fatica comprende tre livelli di ampiezza dello stress e quattro livelli di temperatura di prova. Per l'analisi dell'affidabilità della durata a fatica dei giunti di saldatura viene utilizzata una distribuzione Weibull a due parametri. Per ciascun ciclo viene tracciata una curva sforzo-deformazione per costruire il ciclo di isteresi a ciascun carico ciclico e temperatura di prova. Il ciclo di isteresi acquisito viene utilizzato per stimare il lavoro anelastico per ciclo e la deformazione plastica. I modelli Morrow Energy e Coffin Manson vengono utilizzati per descrivere gli effetti delle proprietà di fatica sulla durata a fatica dei giunti di saldatura. Il modello di Arrhenius è implementato per illustrare le evoluzioni delle equazioni di stress life, Morrow e Coffin Manson a varie temperature di prova. La durata a fatica dei giunti saldati SAC305 viene quindi prevista utilizzando un modello di affidabilità generale in funzione dell'ampiezza dello stress e della temperatura di prova.

La durata a fatica dei materiali di interconnessione microelettronica è un indicatore importante dell'affidabilità degli assemblaggi elettronici, poiché un singolo guasto in queste connessioni potrebbe comportare la distruzione dell'intero sistema elettronico o una drastica riduzione delle sue prestazioni operative. I giunti saldati e altri materiali di interconnessione sono fondamentalmente soggetti a vari tipi di sollecitazioni termiche e meccaniche nelle applicazioni reali, quali taglio, trazione, scorrimento viscoso, shock meccanico e termico e sollecitazioni di fatica1,2,3,4. Il fenomeno del ciclo termico, comunemente osservato in condizioni ambientali difficili, è una delle principali fonti di stress termico e meccanico combinato. Lo stress di taglio a fatica indotto dal fenomeno del ciclo termico ha un impatto sostanziale sulla vita a fatica dei giunti di saldatura. La mancata corrispondenza tra il coefficiente di dilatazione termica (CTE) del circuito stampato (PCB), dei giunti di saldatura e del pacchetto elettronico è la causa principale dello stress da taglio a fatica dei giunti di saldatura5,6. Al contrario, i giunti di saldatura sono immediatamente sottoposti a stress termico durante il processo di ciclo termico. Come risultato delle temperature elevate applicate, l'effetto dell'invecchiamento avrà un impatto sulle prestazioni dei giunti di saldatura. L’invecchiamento è un altro fattore che influenza il degrado della vita a fatica. Gli effetti dell'invecchiamento sul comportamento a fatica delle saldature dipendono fortemente dalla temperatura e dal tempo di esposizione7,8,9.

In questo studio, l'effetto del processo di ciclaggio termico sui pacchetti elettronici è stato esaminato applicando un test di taglio a fatica accelerato che ha considerato i singoli giunti di saldatura a diverse temperature di prova. Numerosi studi hanno studiato il comportamento meccanico e a fatica di diverse leghe di saldatura. Basit et al. ha sviluppato una nuova metodologia di previsione per l'affidabilità delle leghe SAC conducendo un test di vita accelerato del ciclo termico per i materiali di interconnessione microelettronica pre-invecchiati e l'analisi degli elementi finiti. La dissipazione di energia per ciclo di vita e il modello viscoplastico Anand sono stati utilizzati per stimare la durata a fatica dei giunti di saldatura SAC305 attraverso il test del ciclo termico. Nella loro indagine sono stati utilizzati quattro livelli di temperatura di invecchiamento e tre livelli di tempo di invecchiamento. Il processo di ciclo termico è stato utilizzato seguendo il processo di invecchiamento dei pacchetti elettronici, con temperature di ciclo comprese tra −40 e 125 °C. Sono stati rilevati gli effetti della temperatura e del tempo di invecchiamento sul modello Anand. Il modello Anand modificato insieme al modello agli elementi finiti sono stati utilizzati per prevedere le storie di sollecitazione e deformazione dei giunti di saldatura SAC305. I risultati della simulazione sono stati confrontati con l'analisi di affidabilità di Weibull per dati sperimentali reali per convalidare il nuovo approccio di previsione10. Chen et al. ha studiato i comportamenti di affidabilità meccanica e termica di SAC305 e SAC-Sb utilizzando l'analisi termica. Nello studio sono stati considerati due diversi livelli di temperatura operativa e velocità di deformazione per analizzare il comportamento meccanico. Il modello Anand è stato utilizzato per esaminare la resistenza termica alla fatica delle leghe di saldatura studiate. L'utilizzo di giunti saldati SAC-Sb ha comportato un significativo degrado della deformazione anelastica. Inoltre, i giunti saldati SAC-Sb hanno dimostrato una significativa resistenza alla fatica in ambienti operativi difficili11. La durata termomeccanica del giunto di saldatura è stata esaminata da Jiao et al. sotto gli effetti della corrente elettrica in condizioni di cicli di temperatura. È stata utilizzata pasta saldante Sn3,8Ag–0,5Cu con due tipi di sfere saldanti (barile e clessidra) e diverse densità di corrente. È stata eseguita l'analisi degli elementi finiti per simulare l'effetto del ciclo termico combinato e della corrente elettrica sulla durata termomeccanica. Nelle condizioni sperimentali indicate, il giunto di saldatura a clessidra ha mostrato una durata a fatica inferiore rispetto al giunto di saldatura a cilindro12. Samavatian et al. hanno esplorato l'influenza delle vibrazioni a frequenza casuale sulla durata a fatica dei giunti di saldatura. Lo studio ha utilizzato una griglia di sfere in tre diversi circuiti stampati come veicolo di prova. Il metodo degli elementi finiti è stato utilizzato per identificare la migliore configurazione del circuito in termini di durata a fatica. L'effetto della frequenza di ingresso viene misurato applicando una densità spettrale di potenza di accelerazione e i guasti sono stati definiti in base al valore della radice quadrata dello stress da peeling. Secondo i risultati dell'analisi degli elementi finiti, i giunti di saldatura situati negli angoli del BGA erano più soggetti a guasti. Inoltre, rispetto agli altri design della scheda, la configurazione della scheda con un dissipatore di calore negli angoli della scheda ha dimostrato elevate prestazioni di resistenza alla fatica13.