Tasarım Parametrelerinin Elektronik Paketlerde Kullanılan Lehim Bağlantılarının Güvenilirliğine Etkisi

Abstract

Elektronik paketleme teknolojisinde, elektronik paketlerin baskı devre kartına tutturulmaları için, lehim bağlantıları mekanik ve elektriksel bakımdan en iyi yoldur. Lehim alaşımları, farklı ısıl genleşme katsayılarına sahip parçaları birbirine bağladığından sıcaklık değişmeleri sebebi ile periyodik ısıl gerilmelere maruz kalırlar ve non lineer sürünme meydana gelir. Yapılan çalışmada, tasarım parametrelerinin lehim bağlantılarının ömrüne olan etkisi incelenmiştir. Design parametrelerinin elektronik paketlerdeki lehim bağlantılarına olan etkisi incelenmiş ve lehim bağlantılarının yorulma ömrünü artırmak için optimum tasarım parametreleri bulunmuştur. Bunun için endüstriden alınan lehim toplarının ızgara şeklinde sıralandığı (PBGA) üç farklı tipte elektronik paket kullanılmıştır. Bu paketler yapılan sonlu eleman metodu analizlerinde belirli bir sıcaklık değişim periyoduna maruz bırakılmıştır. Tasarım parametreleri lehim topunun hacmi, lehim topunun üst yarıçapı, kaplama bileşeninin elastisite modülü ve ısıl genleşme katsayısıdır. Ortalama plastik iş ve bu tasarım parametreleri arasında fonksiyonel bağıntılar oluşturulmuştur. Elektronik sanayindeki çalışmalara dayanarak, ampirik sabitler ile birim hacme düşen ortalama plastik iş yoğunluğu metodunu kullanarak lehim bağlantısının tamamen hasara uğrayacağı periyot sayısı ve dolayısı ile yorulma ömrü tesbit edilmiştir. Bundan sonra, Taguchi ortogonal dizi metodunu kullanarak, değişik konfigurasyonlara sahip elektronik paketlerde yorulma ömrünü hiçbir analiz yapmadan hesaplamayı kolaylaştıran, ikinci dereceden fonksiyonlar elde edilmiştir.

The solder joint is the best mechanical and electrical way of attaching the electronic packages to the printed circuit board in electronic packaging technology. As solder alloys are used to bond dissimilar materials, which have different thermal expansion coefficients, the components are subjected to cyclic thermal stresses due temperature changes during operation and non linear creep occurs. This study concerns the influence of design parameters on the solder joint. The influence of design parameters on solder joint reliability in electronic packages has been investigated and optimum design parameters were found to maximize the fatigue life of solder joint interconnections. This is achieved by considering three different package types, which are Plastic Ball Grid Array (PBGA), provided by the companies in the electronics industry. These packages are subjected to a specified temperature cycle in finite element analyses. Optimum design variables have been achieved for chosen design parameters. These are the volume of the solder ball, the upper radius of the solder ball, mold compound’s elasticity modulus and thermal expansion coefficient. Functional relationships between the average plastic work and these design parameters are established. Based on the studies in electronics industry, the number of cycles to solder joint failure is predicted by using volume average plastic work density with empirical constants and fatigue life is also computed. After that, quadratic functions, which use an orthogonal array of Taguchi Methods, are obtained to make easier to compute the fatigue life without doing analysis for the electronic packages, which have various configurations.