Aktive Ermüdungsversuche an Mikrovias

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Waldemar Schmid
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1 Willkommen Welcome Bienvenue Aktive Ermüdungsversuche an Mikrovias Günter Grossmann EMPA Dübendorf

2 Inhalt - Motivation - Materialseitige Betrachtung - Testverfahren - Testaufbau an der EMPA - Resultate - Zusammenfassung

3 Motivation - Grosse Anzahl von Mikrovias auf einer Leiterplatte Geringe Ausfallwahrscheinlichkeit pro Via x grosse Anzahl = Ausfallrisiko der Leiterplatte

4 Produktion und Zuverlässigkeit von Mikrovias in Leiterplatten Materials Sci ence & Technolog y Kommission für Technologie und Innovation KTI

5 Ziele 1. Detektion von systematischen Qualitätsproblemen 2. Auswirkung der Strombelastung auf die Lebensdauer 3. Beschleunigtes Testverfahren

6 Materialseitige Betrachtung Eigenschaften Spannung in Kupfer nach 1000h bei vorgegebener Dehnung 23N/mm 2 in1000h =0.015N/mm 2 in 30 min =0.05% Quelle: Kupfer, Deutsches Kupfer Institut, Düsseldorf Kennwerte Materialeigenschaften Leiterplatte Kupfer Wärmedehnung X, Y [ppm/k] Wärmedehnung Z [ppm/k] E- Modul X, Y [GPa] E- Modul Z [GPa] Wärmeleitung [W/mK] 8 400

7 Zu aktivierender Ausfallmechanismus: Thermomechanische Ermüdung Prinzipiell: Über 80 C Kriechen -> Zeitabhängig -> Versagen Dehnungsabhängig Haltezeit =f(ϑ) Beschleunigung mit überhöhter Dehnung N f =C/ε n (Low Cycle Fatigue; Coffin- Manson) Unter 50 C Ermüdung -> Zeitunabhängig -> Versagen Spannungsabhängig -> Versagen Dehnungsabhängig Haltezeit unerheblich Beschleunigung mit überhöhter Spannung σ= ε*e N f =C/σ n (High Cycle Fatigue; Basquin, Wöhler) Beschleunigung mit überhöhter Dehnung N f =C/ε n (Low Cycle Fatigue; Coffin- Manson) High cycle fatigue Spannungsgesteuert Low cycle fatigue Dehnungsgesteuert > Zyklen < 10 5 Zyklen

8 Testverfahren Passive Temperaturzyklen Testcoupons werden mittels Umgebungsluft gleichmässig temperiert - 40 C / 125 C; Haltezeit 30 Min Abschätzung der Dehnung in einem Via in einem Testcoupon Annahme: ganzer Querschnitt zwischen den Metallisierungen trägt Kriechen unerheblich, Zeitunabhängige plastische Dehnung, Low cycle Fatigue Belastung entspricht nicht der Realität, da Erwärmung nicht durch ohmsche Verluste Sehr langsamer Test Zyklen = h je nach Gradient

9 Stromstosstest Testcoupons werden mittels Strombelastung schnell erwärmt und mit der Umgebungsluft gekühlt. 25 C / 76A; Impulszeit 35, 40, 45ms Wärmeverteilung in einem Testcoupon

240 260 280 300 Temperatur [ C] Temperaturverlauf

ms Häufigkeit 160 180 200 Temperatur [ C] 40 ms Häufigkeit

(1000 Zyklen 80s) Starke Streuung der Testparameter

10 Temperatur [ C] Temperaturverlauf abgeschätzt Verteilung der mittleren Maximaltemperatur 35 ms Häufigkeit Temperatur [ C] 40 ms Häufigkeit Temperatur [ C] Sehr schneller Test (1000 Zyklen 80s) Starke Streuung der Testparameter Limitierte Wärmeausbreitung Leiterplatte erwärmt sich im Test. 45 ms Häufigkeit

11 Aktive Temperaturzyklen Testcoupons werden mittels Strombelastung erwärmt und mit der Umgebungsluft gekühlt C / 100 C; Zykluszeit 2 Min Schneller Test (1000 Zyklen = 33h) Wärmeausbreitung nahe an der Realität Kontrollierter Temperaturhub, anpassbar

12 Testaufbau an der EMPA Ziel: Aktiver Temperaturwechseltest mit kontrolliertem Temperaturhub -> Heizen mit ohmscher Verlustleistung -> Temperaturüberwachung -> Verfolgen der Degradation im Via -> Steuerbare Stromquelle -> Verfolgen der Degradation mit Widerstandsmessung -> V Via kann nicht als Temperaturindikator verwendet werden, da veränderlich -> Temperatursensor integrieren

13 Realisierung Testcoupon mit integriertem Temperatursensor Widerstandsmessung im Via und im Messmäander mit 4- Leiter Technik

14 Mit LabView gesteuerter Messaufbau Temperaturschrank erlaubt erhöhten Temperaturhub bei gleichem T max wie in Feld θ = V V rrr 1 α V rrr = U T rrr U SSSSS T rrr 1+αT rrr = RRRRRRRR TTTTTTTTTT Stromquelle Mäander Laststromquelle V = U U SSSSS = Messtemperatur

15 Bedienungsoberfläche 2 Betriebsmodi Temperaturkontrolliert Zeitkontrolliert

16 Ablauf eines Tests 1. Kalibration des Mäanders Zyklen mit verschiedenen Strömen T ref = Untere Temperatur des Schrankes Log- File mit Maximalwerten Cycle Ion Ioff T Mäander On T Mäander Off ton toff R_Via T Via On " Messung des Spannungsabfalls - Im Via - Im Mäander

17 2. Versuch starten mit entsprechenden Angaben - Maximale Temperatur - Regelbreite, Stromsprung - Abbruchkriterium

18 Messpunkt Warmwiderstand Zyklus für R ref Test- Ende R>2R ref

19 Resultate Einfluss der Zykluszeit Versuche mit T=240 C 10s< t on <120s T off immer so gewählt, dass T min erreicht wird

20 Einfluss des Temperaturhubes Versuche mit t on = t off = 60s 220 C< ϑ<315 C ϑ min =-60 C Ausfallmodell nach Coffin Manson N f * ϑ 13.6 = 3*10 36 N f = x 11.6

21 Zusammenfassung Passive Zyklen bilden die Realität grösstenteils ab und sind sehr kontrolliert. Lange Testdauer Beschleunigte Tests sind bei Vias mit aktiven Zyklen möglich Stromstosstests sind schnell, nahe der Realität (ohm sche Erwärmung). Schwierig zu kontrollieren Aktive Zyklen mit kontrolliertem Temperaturhub vereinen die Vorteile beider Verfahren. Lebensdauertests mit 2 Zielsetzungen möglich Untersuchung dem Materialverhaltens mit konstantem Hub Lebensdauertests mit konstantem Strom

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