Thesis (M.S.)--State University of New York at Binghamton, Thomas J. Watson School of Engineering and Applied Science, Department of Systems Science and Industrial Engineering, 2008. / Includes bibliographical references.

Thesis (M.S.)--State University of New York at Binghamton, Thomas J. Watson School of Engfineering and Applied Science, Department of Systems Science and Industrial Engineering, 2009. / Includes bibliographical references.

Sn-Pb solder has long been used in the Electronics industry. But, due to its toxic nature and environmental effects, certain restrictions are made on its use and therefore many researchers are looking to replace it. Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC) solders are suggested as lead-free replacements but their coarse microstructure and formation of hard and brittle Inter-Metallic Compounds (IMCs) like Ag₃Sn and Cu₆Sn₅ have limited their use in high temperature applications. In this research work, RE elements, mostly lanthanum (La), are used as potential additives to SAC alloys. They reduce the surface free energy, refine the grain size and improve the mechanical and wetting properties of SAC alloys. An extensive experimental work has been performed on the microstructure evolution, bulk mechanical properties, individual phase (matrix and IMCs) mechanical properties, creep behavior and wettability performance of the SAC and SAC-La alloys, with different (La) doping. SEM and EDS have been used to follow the continuous growth of the IMCs at 150°C and 200°C and thus provide a quantitative measure in terms of their size, spacing and volume fraction. Grain size is measured at regular intervals starting from 10 hours up to 200 hours of thermal aging using Optical Microscope with cross polarized light. Bulk mechanical properties are evaluated using tensile tests at low strain rates. Individual phase mechanical properties like Young's modulus, hardness, strain rate sensitivity index and bulge effects are characterized with nanoindentation from 100 µN up to 5000 µN loadings at different temperatures of 25°C, 45°C, 65°C and 85°C. Creep experiments are performed at elevated temperatures with good fitting of Dorn creep and back-stress creep models. Activation energy measurements are made at 40°C, 80°C and 120°C. Wettability testing on copper substrates is used for surface tension, wetting force and contact angle measurements of SAC and SAC-La doped alloys at 250°C and 260°C.

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.