Fraunhofer-Gesellschaft

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Lebensdauer von SMD-Lotkontakten unter kombinierter Vibrations- und Temperaturbelastung

Untersuchungen bei Raumtemperatur, bei Hochtemperatur und nach isothermer Voralterung
 
: Meier, Karsten; Lautenschläger, Georg; Wolter, Klaus-Jürgen; Röllig, Mike; Schießl, Andreas

Produktion von Leiterplatten und Systemen : PLUS 16 (2014), No.5, pp.1058-1066
ISSN: 1436-7505
German
Journal Article
Fraunhofer IKTS ()
Lotkontakt; Hochtemperaturspeicher; schwingende Belastung; Risswachstum

Abstract
Die Anzahl elektronischer Baugruppen im Automobil ist in den letzten Jahren stark angestiegen und nimmt weiter zu. Dabei wird eine Vielzahl dieser Baugruppen motor-, getriebe- oder fahrwerksnah verbaut und ist damit hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Lebensdauererwartungen an die Baugruppen werden bei 25 Jahren oder mehr gesehen. Um dies zu erreichen, ist eine Baugruppenentwicklung auf Basis fundierter Forschungsergebnisse erforderlich. Um Zugang zum Zuverlässigkeitsverhalten der Lotkontakte zu erhalten, ist es erforderlich, die Schädigung der Lotkontakte durch Vibration und Temperatur zu untersuchen. Mit diesem Hintergrund wurden Vibrationsexperimente bei Raumtemperatur an Probekörpern im Herstellungszustand und nach isothermer Alterung (1000 h @ 150 °C) durchgeführt. Darüber hinaus wurden Probekörper im Herstellungszustand Vibrationsexperimenten bei erhöhter Temperatur (125 °C) ausgesetzt. Als Versuchsträger diente eine streifenförmige Leiterplatte. Auf dieser wurden keramische Chip-Kondensatoren bzw. SMD-Transformatoren montiert. Für die Durchführung der Vibrationsexperimente bei erhöhter Temperatur wurde die Versuchsleiterplatte um die Funktion eines integrierten, lokal an der Bauelementposition wirkenden Heizers erweitert. Im Anschluss an die Belastung mit definierter Schwingzyklenanzahl (1×10 6...200×10 6) wurden die Lotkontakte in metallografischen Schliffen auf Risse und mikrostrukturelle Änderungen geprüft. Anhand eines Finiten-Element-Modells wurden die in den Lotkontakten auftretenden Spannungen berechnet. Auf Basis der experimentell bestimmten Ausfallschwingzyklenzahlen und der berechneten Spannungen konnten Lebensdauermodelle abgeleitet werden.

 

Electronic devices for automotive applications represent a big market today. The number of these devices per car significantly increased within the last years. The mounting positions of the devices are close to engine, gear or suspension structures and therefore face harsh use conditions. Nevertheless the expected lifetime of these devices is 25 years or even more. Careful and comprehensive development and engineering work is needed to fulfil the named requirements. An understanding of the damage mechanisms driven by vibration and thermal loads need to be gained to access the reliability of solder joints facing the described conditions. To address this topic vibration experiments on as reflowed as well as on isothermally pre-aged (high temperature storage for 1000 h @ 150 °C) ceramic chip capacitors were accomplished at room temperature. In a further set as reflowed specimen were exposed to vibration at 125 °C. A strap like PCB was used enabling a defined load introduction. A next generation of these test vehicles including local heater functionality was used to accomplish the vibration at high temperature. Experiments on heavy transformer components at room temperature were conducted as well. After the actual experimental procedure the specimens were cross-sectioned. Grain and microstructure changes were analysed and crack growth and failure cycles were investigated. The occurring solder joint stress of the ceramic capacitors under the different vibration conditions including high temperature vibration was calculated using a detailed finite element model. Life time models for the different loading conditions were determined using experimental and simulation results.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-294405.html