Ermittlung von Lebensdauergleichungen vom Coffin-Manson- und Morrowtyp für bleihaltige und bleifreie Weichlote durch Kombination von FE und Experiment (PDF)

Die Entwicklung und Erprobung neuartiger bleifreier Lotwerkstoffe ist noch nicht so weit fortgeschritten wie im Falle der bleihaltigen Lote. Mitunter finden sich in verschiedenen wissenschaftlichen Quellen differierende und widersprüchliche Aussagen hinsichtlich der Zuverlässigkeit.
In Anbetracht dieser Situation ergeben sich folgende Zielsetzungen, denen in der vorliegenden Arbeit nachgegangen wird:

• Recherche wissenschaftlicher Arbeiten, in denen die Zuverlässigkeit bleifreier Lote in der Mikroelektronik untersucht wird;
• die Schaffung einer soliden Datenbasis an Zuverlässigkeitskennwerten für gängige bleifreie Lötverbindungen;
• der Vergleich dieser Kennwerte mit Kenndaten, die in externen wissenschaftlichen Arbeiten ermittelt wurden.

Die Zuverlässigkeit mikroelektronischer Lötverbindungen wird mit Hilfe standardisierter Temperaturwechseltests, die zur Bestimmung der Lebensdauer unter kontrollierten Bedingungen dienen, untersucht. Tests dieser Art werden für gewöhnlich bis zum Versagen der zu testenden Lötverbindungen gefahren. Oftmals sind hierzu mehrere tausend thermische Zyklen und Testzeiträume von mehreren Monaten notwendig.

Werden experimentell ermittelte Lebensdauern über die zugehörigen, pro thermischem Zyklus im Lot auftretenden Kriechenergiedichten oder Kriechdehnungen aufgetragen, lassen sich für das untersuchte Lot Zuverlässigkeitskennwerte ableiten. Auf deren Basis können mathematische Lebensdauergesetze aufgestellt werden. Mit Hilfe dieser Gesetze sind Lebensdauerprognosen möglich, ohne zusätzlich Experimente durchführen zu müssen. Die Bestimmung der zyklisch auftretenden Kriechenergiedichten muss anhand von FE-Simulationen erfolgen. Die Ermittlung von Kriechdehnungen bzw. Kriechenergiedichten ist mit Hilfe von FE-Simulationen möglich.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit erfolgen Bestimmungen von Zuverlässigkeits-kennwerten auf Basis von FE-Simulationen und experimentell ermittelten Lebensdauern. Diese Lebensdauern wurden im Rahmen zweier großer Forschungsprojekte, den Projekten LIVE und W5, ermittelt.

Alle Untersuchungen der vorliegenden Arbeit beziehen sich auf Lötverbindungen keramischer Kondensatoren und Widerstände. Langfristiges Ziel ist es, die Gültigkeit der ermittelten Lebensdauerbeziehungen für beliebige Lotgeometrien zu belegen, so dass diese als Materialkennwerte betrachtet werden könnten.