Abstract

Electronic devices are subjected to various usage environments, wherein stresses are induced to components and their interconnections. The level of stress affects the interval of failure occurrences. When the stress level and aging characteristics of sub-material parts are known, the failure occurrence can be predicted. However, the predictions are based on uncertainties and a practical method to help to assess the component interconnection reliability is needed.

In this thesis a novel method to utilize the accelerated stress test data for the hazard rate estimates is introduced. The hazard rate expectations of the interconnection elements are presented as interconnection failures in time (i-FIT) figures that can be used as a part of the conventional product reliability estimates. The method utilizes second level reliability test results for a packaging type specific failure occurrence estimates. Furthermore, the results can be used as such in the component packaging reliability estimates.

Moreover, a novel method to estimate the interconnection failures in terms of costs is presented. In this novel method the interconnection elements are dealt as cost elements. It is also shown that the costs of the interconnection failures could be very high, if the stress-strength characteristics of the interconnection system are wrongly chosen.

The lead-free manufacturing has emphasized the thermal compatibility of the materials of the component, the solder and the Printed Wiring Board. Improper materials for Area Array components will result as excessive component warping during the reflow, as is shown in this thesis. A novel method for estimating the amount of component warping during the lead-free reflow is introduced.

In this thesis, a method to predict the second level interconnection hazard rate is introduced. The method utilizes the second level reliability test data in the life time predictions of the component solder joints. The resulted hazard rates can be used as a part of product field performance estimates. Also, the effect of the process variation and the material properties on the lead-free solder joint reliability is introduced.

Tiivistelmä

Elektronisen laitteen materiaalien yhteensopivuus ja käyttöympäristö määrittävät sen kokemat rasitukset. Laitteen komponentteihin tai niiden liitoksiin kohdistuvat rasitukset aiheuttavat lopulta laitteen vikaantumisen. Vikaantumisten taajuuteen vaikuttavat paitsi rasituksen taso ja tyyppi, myös laitteen materiaalien ominaisuudet. Todellinen vikaantumistaajuus perustuu kuitenkin muihinkin parametreihin, mistä johtuen vikaantumisennusteet voivat olla epätarkkoja. Tästä syystä käytännölliselle liitosten vikaantumisen arviointimenetelmälle on tarve.

Tässä väitöskirjassa esitellään uusi komponenttien juotosliitosten arviointimenetelmä, jonka avulla voidaan muuntaa kiihdytetyn rasitustestauksen tulos vikaantumistaajuusarvioksi laitteen todellisessa käyttöympäristössä. Menelmässä hyödynnetään levytason rasitustestauksen tuloksia komponenttien kotelotyyppikohtaisiin vikaantumisennusteisiin. Menetelmää voidaan käyttää sellaisenaan arvioitaessa komponenttikoteloiden luotettavuutta todellisissa rasitus- tai tuoteympäristöissä.

Väitöskirjassa esitellään myös uusi menetelmä vikaantuneiden liitosten kustannusten määrittämiseen, mikä auttaa myös uuden liitosteknologian kokonaiskustannusten arvioimisessa. Lisäksi väitöskirjatyössä osoitetaan, että liitosvikojen aiheuttamat kustannukset voivat olla erittäin korkeita, mikäli juotosliitoksiin kohdistuvat rasitukset ylittävät liitosten suunnitellun kestävyyden.

Elektroniikan lyijyttömän valmistamisen myötä komponenttien, juotteen ja piirilevyn materiaalien yhteensopivuus korostuu. Väitöskirjatyössä osoitetaan, että yhteensopimattomien materiaalien käyttäminen komponenteissa voi johtaa komponentin liialliseen taipumaan kuumakonvektiojuottamisen aikana. Lisäksi esitellään menetelmä komponentin taipuman arvioimiseksi lämpötilan funktiona.

Tässä väitöskirjassa esitellään uusi menetelmä, jolla voidaan arvioida komponenttien juotosliitosten vikaantumista ja vikaantumisen vaikutusta tuotteiden kokonaiskustannuksiin. Menetelmä perustuu kiihdytetyn rasitustestauksen tuloksiin, joita voidaan käyttää juotosliitosten vikaantumisten arvioimiseen tuotteen todellisissa käyttöolosuhteissa. Lisäksi väitöskirjatyössä on arvioitu juotosmateriaalin ja juotosaluemitoituksen vaikutusta juotosliitosten luotettavuuteen.