Beiträge zur Bestimmung von mechanischen Kennwerten an produktkonformen Lotkontakten der Elektronik

Die Arbeit spiegelt in drei Bearbeitungsgebieten den Prozess zur systematischen Ermittlung von Materialgesetzen für Lotwerkstoffe der Elektronik wieder. Das dominierende Verformungsverhalten von zinn-reichen Lotwerkstoffen unter einer Betriebstemperatur von Thomolog > 0,4 ist die visko-plastische Verformung. Die Kenntnisse über das Verformungsverhalten von Lotwerkstoffen eignen sich einerseits zum Vergleich der Materialien untereinander um eine geeignete Auswahl treffen zu können und andererseits zur Lebensdauerabschätzung von elektronischen Baugruppen in Verbindung mit der Finite-Elemente-Methode.
Sämtliche Einflussfaktoren die metallurgischer und prozesstechnischer Herkunft sind, beeinflussen die Ausbildung des Mikrogefüges von Lotkontakten. Daraus leiteten sich Maßnahmen ab, die zum Entwurf und Aufbau eines Schertestversuchsstandes führten, mit dem es möglich ist, flächig angeordnete Lotkontakte an realen elektronischen Bauelementen zu charakterisieren. Dabei zielt das Maschinenkonzept auf BGA- und CSP-Bauelemente ab, mit Lotkontakten, welche einen Durchmesser zwischen Ø = 200 µm und 800 µm besitzen und somit ein Lotvolumen von V = 10-2 mm³ bis 1 mm³ aufweisen.
Die ermittelten Materialdaten sind mittels der FEM so kalibriert, dass die Rechnungen übereinstimmende Ergebnisse liefern wie das Experiment. Dadurch ist die Gültigkeit des abgeleiteten Materialmodells gewährleistet und basiert nicht länger auf einer Abschätzung.
Weiterhin zeigt die Arbeit einen Ansatz zur analytischen Ableitung eines relevanten Spannungszustandes im Lotkontakt, der unter anliegender Scherkraft einen mehr-achsigen Spannungszustand besitzt. Der Ansatz bietet eine Erweiterung der von Mises Vergleichspannungshypothese, in welcher die Kontaktform, sei es tonnenförmig- oder hyperbolisch, berücksichtigt ist. Der Korrekturansatz kann für sämtliche Kontaktgeometrien zwischen den Anschlusspaddurchmessern Ø = 100 µm und 1500 µm sowie der Kontakthöhen h = 50 µm und 750 µm Verwendung finden.
Die FEM kam ebenfalls bei der Beantwortung von offenen Fragen zur optimalen Gestaltung vom Probekörper zum Einsatz. Daraus leitete sich ein weiteres geeignetes Messobjekt mit produktkonformen Lotkontakten ab, das neben dem industriell gefertigten Objekt Verwendung fand. Die Arbeit umfasst eine Technologieentwicklung, wobei gezielt sämtliche organischen Bestandteile aus dem Package durch Al2O3-Keramik ersetzt wurden. Die Qualität der Anschlussmetallisierungen als auch des Montageprozesses ist dabei produktadäquat geblieben, um einen vergleichbaren Lotzustand trotz Substitution zu gewährleisten.
Am Beispiel von der binären Lotlegierung SnAg3,5 konnten experimentell Effekte, die aus der Metallurgie, dem Herstellungsprozess und der Technologie stammen, nachgewiesen bzw. ausgeschlossen werden. Die Arbeit zeigt, welche Änderungen des Kriechverhaltens der Legierung durch unterschiedliche Metallisierungen entstehen.
Die entwickelte Messmethodik lässt sich auf alle Lotlegierungen der Elektronik anwenden. In dieser Arbeit lag der Fokus auf der Basislegierung SnAg3,5. Sie stellt den FEM-kalibrierten vollständigen Koeffizientensatz für das Kriechverhalten unterschiedlicher Zustände zur Verfügung.