Eine effiziente Methodik zur Vorhersage der Lebensdauer von bleifrei gelöteten BGA-Lötstellen

Inhalt:
Das Ziel dieser Untersuchung war die umfassende Betrachtung des Lebenszyklus eines BGA-Bauelements. Dazu wurden LFBGA-345 mit SAC405-Lötverbindungen unter Temperaturwechsel- und Temperaturschockbelastungen untersucht. Die Proben wurden metallographisch präpariert und lichtmikroskopisch auf ihre Schädigung analysiert. Für alle Proben wurde die Risslänge der Lötverbindungen als Schädigungsparameter gemessen. Die als lokale Belastungsgröße relevante viskoplastische Dehnung wurde durch FE-Simulationen berechnet. Aus der linearen Anpassung der Schädigung an die Dehnung bestimmen sich die Anrisszyklenzahl N0 und die Rissfortschrittsrate da/dN. Die mittlere Zyklenzahl Nf bis zum Versagen der Lötverbindungen wurde aus diesen Daten berechnet und mit den numerisch ermittelten Schädigungsparametern korreliert. Die dargestellte Untersuchung erweitert die bislang verfügbaren Lebensdauermodelle nun zu hohen Zykluszahlen und sehr kleinen Belastungen. Weiterhin wird beschrieben, wie die Zuverlässigkeit der bleifreien Lötverbindungen schon in frühen Entwicklungsphasen quantitativ untersucht werden kann. Eine besondere Bedeutung hierbei hat die Berücksichtigung der Toleranzen der Herstellungsprozesse. Zur Modellierung der Streuung von Zielgrößen wurden Monte-Carlo-Verfahren verwendet, um die Wirkung der Veränderlichkeit von Eingangsparametern auf Lebensdauervorhersagen zu untersuchen. Die relevanten lokalen und globalen Einflussgrößen, welche die Lebensdauer der Baugruppe beeinflussen, wurden identifiziert. Die Wirkung der einzelnen Parameter wurde durch Korrelation zwischen jeder Einflussgröße und der Lebensdauer ermittelt. Hierauf aufbauend wurden statistische Modelle entwickelt, um die thermomechanische Zuverlässigkeit der BGA vorauszusagen. Mit der vorgestellten probabilistischen Methode ist es möglich, neben der Einflussgrößen-Wirkungs-Analyse auch Weibull-Kurven durch Simulation zu erzeugen.