4-Punkt-Biegetest bei erhöhter Temperatur – Einfluss von Temperatur und Haltezeit

Abstract:
Durch höhere Zuverlässigkeitsanforderungen gewinnt der Einfluss von mechanischen Randbedingungen auf die Lötstellenzuverlässigkeit immer mehr an Bedeutung. Diese werden z.B. durch den Trend zu Konformität mit AEC Q100 Grade 0 bedingt. Weiterhin sind für in Elektrofahrzeugen eingesetzte Elektroniken zusätzliche Betriebszeiten während Ladevorgängen zu berücksichtigen. Üblicherweise werden Halbleitergehäuse im TCoB (Temperature Cycling on Board) Test gemäß IPC9701 hinsichtlich der Board Level Zuverlässigkeit qualifiziert. Hierbei ist das Package auf einer unverspannten Leiterplatte verlötet. Durch die thermomechanisch bedingte Spannung zwischen Leiterplatte und Package ist Lötstellenermüdung der dominierende Ausfallmechanismus. Auf der Systemebene wird die bestückte Leiterplatte in einem Gehäuse montiert. Weiterhin können sich andere, mitunter steife Bauelemente (z.B. Stecker) in der Nähe der Packages befinden. Hierdurch entstehen bei Temperaturwechseln Spannungen, wodurch die Verformung der Leiterplatte lokal merklich schwanken kann, siehe Abb. 1. Aufgrund der beschriebenen Randbedingungen im System kann die Lebensdauer der betroffenen Lötstellen gegenüber dem Test auf freier Leiterplatte stark beeinträchtigt werden. In [3] wird eine Verringerung bis zu 50 %, in [4] und [5] von bis zu 60 % genannt. In dieser Arbeit wird ein zyklischer Biegetest vorgestellt, in dem Boardaufbauten einer kombinierten Belastung von Temperatur und Biegung ähnlich der Applikation ausgesetzt werden können. Der Einfluss der Testparameter auf Lebensdauer und Fehlerbild wird experimentell, sowie mit Hilfe von FEM-Simulationen untersucht, um die Robustheit des Bauteils diesbezüglich zu bewerten.