Modelagem de confiabilidade da vida em fadiga do chumbo

Jul 09, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2493 (2023) Cite este artigo

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Uma correção do autor para este artigo foi publicada em 09 de maio de 2023

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A confiabilidade dos materiais de interconexão microeletrônica para pacotes eletrônicos tem um impacto significativo nas propriedades de fadiga dos conjuntos eletrônicos. Isso se deve à correlação entre a confiabilidade das juntas de solda e os modos de falha mais frequentes observados em dispositivos eletrônicos. Devido às suas propriedades mecânicas e de fadiga superiores, as ligas SAC suplantaram as ligas de solda Pb como um dos materiais de solda mais comumente usados ​​como juntas de interconexão em pacotes eletrônicos. O principal objetivo deste estudo é desenvolver um modelo de previsão da vida à fadiga das juntas soldadas em função das condições experimentais. Usando uma configuração experimental personalizada, um teste de cisalhamento de fadiga acelerada é aplicado para examinar a vida de fadiga das juntas de solda SAC305 individuais em condições reais de configuração. O acabamento da superfície OSP e a máscara de solda definida são usados ​​no veículo de teste estudado. O teste de fadiga inclui três níveis de amplitude de tensão e quatro níveis de temperatura de teste. Uma distribuição Weibull de dois parâmetros é usada para a análise de confiabilidade para a vida de fadiga das juntas de solda. Uma curva tensão-deformação é plotada para cada ciclo para construir o loop de histerese em cada carga cíclica e temperatura de teste. O loop de histerese adquirido é usado para estimar o trabalho inelástico por ciclo e a deformação plástica. Os modelos de energia de Morrow e Coffin Manson são empregados para descrever os efeitos das propriedades de fadiga na vida de fadiga das juntas de solda. O modelo de Arrhenius é implementado para ilustrar as evoluções nas equações de vida sob tensão, Morrow e Coffin Manson em várias temperaturas de teste. A vida de fadiga das juntas de solda SAC305 é então prevista usando um modelo de confiabilidade geral em função da amplitude de tensão e temperatura de teste.

A vida à fadiga dos materiais de interligação microeletrônica é um dos principais indicadores da confiabilidade dos conjuntos eletrônicos, pois uma única falha nestas conexões pode resultar na destruição de todo o sistema eletrônico ou na redução drástica do seu desempenho operacional. Juntas de solda e outros materiais de interconexão estão fundamentalmente sujeitos a vários tipos de tensões térmicas e mecânicas em aplicações da vida real, como cisalhamento, tração, fluência, choque mecânico e térmico e tensões de fadiga1,2,3,4. O fenômeno da ciclagem térmica, comumente observado em condições ambientais adversas, é uma das principais fontes das tensões térmicas e mecânicas combinadas. A tensão de cisalhamento por fadiga induzida pelo fenômeno da ciclagem térmica tem um impacto substancial na vida à fadiga das juntas de solda. A incompatibilidade entre o coeficiente de expansão térmica (CTE) da placa de circuito impresso (PCB), as juntas de solda e o pacote eletrônico é a principal causa para a tensão de cisalhamento por fadiga das juntas de solda5,6. Em contraste, as juntas de solda são imediatamente submetidos a estresse térmico durante o processo de ciclagem térmica. Como resultado das temperaturas elevadas aplicadas, o efeito de envelhecimento afetará o desempenho das juntas de solda. O envelhecimento é outro fator que influencia a degradação da vida em fadiga. Os efeitos do envelhecimento no comportamento à fadiga das soldas são fortemente dependentes da temperatura e do tempo de exposição7,8,9.

Neste estudo, o efeito do processo de ciclagem térmica nos pacotes eletrônicos foi examinado pela aplicação de um teste de cisalhamento de fadiga acelerado que considerou juntas de solda individuais em diferentes temperaturas de teste. Vários estudos investigaram o comportamento mecânico e à fadiga de diferentes ligas de solda. Basit et ai. desenvolveu uma nova metodologia de previsão para a confiabilidade das ligas SAC, realizando um teste de vida acelerada de ciclagem térmica para os materiais de interconexão microeletrônica pré-envelhecidos e análise de elementos finitos. A dissipação de energia por ciclo de vida e o modelo viscoplástico de Anand foram usados ​​para estimar a vida à fadiga das juntas de solda SAC305 por meio do teste de ciclagem térmica. Em sua investigação, quatro níveis de temperatura de envelhecimento e três níveis de tempo de envelhecimento foram utilizados. O processo de ciclagem térmica foi utilizado seguindo o processo de envelhecimento das embalagens eletrônicas, com temperaturas de ciclagem variando de - 40 a 125 °C. Os efeitos da temperatura e do tempo de envelhecimento no modelo de Anand foram encontrados. O modelo Anand modificado em conjunto com o modelo de elemento finito foi utilizado para prever as histórias de tensão e deformação das juntas de solda SAC305. Os resultados da simulação foram comparados com a análise de confiabilidade Weibull para dados experimentais reais para validar a nova abordagem de previsão10. Chen et ai. estudaram os comportamentos de confiabilidade mecânica e térmica de SAC305 e SAC-Sb usando análise térmica. No estudo, dois níveis diferentes de temperatura operacional e taxa de deformação foram considerados para análise do comportamento mecânico. O modelo de Anand foi utilizado para examinar a resistência térmica à fadiga das ligas de solda estudadas. O emprego de juntas de solda SAC-Sb resultou em uma degradação significativa na deformação inelástica. Além disso, as juntas de solda SAC-Sb demonstraram uma resistência significativa à fadiga em ambientes operacionais hostis11. A vida termomecânica da junta de solda foi examinada por Jiao et al. sob efeitos de corrente elétrica em condições de ciclagem de temperatura. Foi utilizada pasta de solda Sn3.8Ag–0.5Cu com dois tipos de esferas de solda (barril e ampulheta) e diferentes densidades de corrente. A análise de elementos finitos foi realizada para simular o efeito da ciclagem térmica combinada e da corrente elétrica no tempo de vida termomecânico. Sob as condições experimentais declaradas, a junta de solda do tipo ampulheta apresentou uma vida útil de fadiga menor em comparação com a junta de solda de barril12. Samavatian et ai. explorou a influência da vibração de frequência aleatória na vida de fadiga das juntas de solda. O estudo utilizou matriz de grade de esferas em três placas de circuito diferentes como um veículo de teste. O método dos elementos finitos foi utilizado para identificar a melhor configuração da placa de circuito em termos de vida à fadiga. O efeito da frequência de entrada é medido pela aplicação de uma densidade espectral de potência de aceleração e as falhas foram definidas com base no valor da raiz quadrada da tensão de descascamento. De acordo com os resultados da análise de elementos finitos, as juntas de solda localizadas nos cantos do BGA foram mais suscetíveis a falhas. Além disso, em comparação com os outros designs de placa, a configuração da placa com um dissipador de calor nos cantos da placa demonstrou um alto desempenho de resistência à fadiga13.