علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

تخمین عمر خستگی کم چرخه و محاسبه احتمال واماندگی بورد الکترونیکی فضایی تحت بارگذاری سیکلی حرارتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی مکانیک، تهران، ایران
2 پژوهشکده سامانه‌های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران
10.22034/jssta.2025.486362.1213
چکیده
یکی از چالش برانگیزترین مسائل در طراحی و ساخت بوردهای الکترونیکی فضایی، پدیدۀ خستگی ناشی تنش‌های حرارتی - مکانیکی در اتصالات لحیم می‌باشد. خستگی حرارتی - مکانیکی به دلیل تنش‌های ناشی از تغییرات مکرر دما و تفاوت در خواص حرارتی و مکانیکی مواد مختلف رخ می‌دهد و می‌تواند باعث شکست یا واماندگی قسمتی از لحیم بورد الکترونیکی گردد. هرگونه واماندگی و شکست در اتصالات لحیمی می‌تواند باعث از دست رفتن عملکرد بورد الکترونیکی گردد و لذا بایستی این پدیده به صورت کامل در طراحی بوردهای الکترونیکی لحاظ گردد. در این مقاله، یک بورد الکترونیکی شش لایه با دویست المان الکترونیکی و پکیج‌های BGA، Leaded و LCCC مورد بررسی قرار گرفته است و تخمین عمر خستگی و احتمال واماندگی آن تحت تاثیر پروفیل‌های حرارتی فضایی به صورت تحلیلی و عددی محاسبه شده است. در محاسبات تخمین عمر سه نوع جنس لحیم PB90SN10، SAC305 SN100C, مورد بررسی قرار گرفته است و عمر بورد الکترونیکی و احتمال واماندگی برای هریک از این جنس‌ها محاسبه شده است. در این مقاله از مدل مبتنی بر انرژی کرنشی جهت محاسبات عددی تخمین عمر استفاده شده است. عوامل اصلی موثر بر خستگی در اتصالات لحیم از جمله پروفیل‌های حرارتی، طراحی قطعه، خواص مواد و ویژگی‌های بورد مدار چاپی به‌طور کامل بررسی و تاثیر آن‌ها در عمر بورد الکترونیکی مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که مقاومت در برابر ترک‌خوردگی و توزیع تنش‌های مکانیکی در پیکربندی‌های بررسی شده به شدت بر عمر سیستم تأثیر می‌گذارد. تحلیل‌های عددی و آماری انجام‌شده با مدل ویبول دو متغیره، رابطه میان ضریب انبساط حرارتی، ساختار لایه‌ای برد مدار چاپی و مقاومت مکانیکی لحیم‌ها را آشکار می‌سازد. در نهایت، نشان داده می‌شود که لحیم SAC305 در پیکربندی BGA بهترین عملکرد را از لحاظ تعداد چرخه‌های حرارتی تا شکست ارائه می‌دهد، در حالی که LCCC دارای حساسیت بالاتری به خستگی است. نتایج عددی استخراج شده در این مقاله با نتایج تحلیلی مورد صحت سنجی قرار گرفت و مشاهده گردید که روش عددی استفاده شده با دقت بسیار بالای قابلیت تخمین عمر خستگی بوردهای الکترونیکی را دارد. این یافته‌ها می‌توانند بهبود طراحی بوردهای الکترونیکی در کاربردهای فضایی را تسهیل کنند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] T. Y. Tee, J. E. Luan, E. Pek, C. T. Lim, and Z. Zhong, “Advanced experimental and simulation techniques for analysis of dynamic responses during drop impact,” in Proc. 54th Electron. Components Technol. Conf. (ECTC), vol. 1, pp. 1088–1094, 2004.
[2] A. Goel and R. J. Graves, “Electronic system reliability: Collating prediction models,” IEEE Trans. Device Mater. Reliab., vol. 6, no. 2, pp. 258–265, 2006.
[3] M. A. Gharaibeh and J. M. Pitarresi, “Random vibration fatigue life analysis of electronic packages by analytical solutions and Taguchi method,” Microelectron. Reliab., vol. 102, Art. no. 113475, 2019.
[4] Z. Khaji, M. Fakoor, S. Shakhesi, ” Investigating the fracture of electronic boards in space systems under random vibrations”, Journal of Space Science, Technology and Applications, vol 4 (1), p.:10-23, 2024.
[5] E. Suhir, “Failure oriented accelerated testing (FOAT), Boltzmann–Arrhenius–Zhurkov equation (BAZ), and their application in aerospace microelectronics and photonics reliability engineering,” Int. J. Aeronaut. Sci. Aerosp. Res., vol. 6, no. 3, pp. 185–191, 2019.
[6] E. Suhir, “Aerospace electronics reliability prediction: Application of two advanced probabilistic techniques,” ZAMM—J. Appl. Math. Mech., vol. 98, no. 5, pp. 824–839, 2018.
[7] J. Harikumaran, G. Buticchi, G. Migliazza, V. Madonna, P. Giangrande, A. Costabeber, et al., “Failure modes and reliability-oriented system design for aerospace power electronic converters,” IEEE Open J. Ind. Electron. Soc., vol. 2, pp. 53–64, 2021.
[8] F. Hou, X. Zhang, X. Guo, H. Xie, Y. Lu, L. Cao, and L. Wan, “Thermo-mechanical reliability study for 3D package module based on flexible substrate,” in Proc. 14th Int. Conf. Electron. Packaging Technol. (ICEPT), pp. 1296–1300, 2013.
[9] H. Xiao, D. Luo, and H. Wang, “Research on damage-mechanism-based prediction methodologies for thermo-mechanical reliability of solder joints in electronic packaging,” in Proc. 17th Int. Conf. Electron. Packaging Technol. (ICEPT), pp. 7–13, 2016.
[10] S. Shao, D. Liu, Y. Niu, K. O'Donnell, D. Sengupta, and S. Park, “A study on the thermomechanical reliability risks of through-silicon vias in sensor applications,” Sensors, vol. 17, no. 2, Art. no. 322, 2017.
[11] C. Basaran and R. Chandaroy, “Using finite element analysis for simulation of reliability tests on solder joints in microelectronic packaging,” Comput. Struct., vol. 74, no. 2, pp. 215–231, 2000.
[12] M. P. Rodriguez and N. Y. A. Shammas, “Finite element simulation of thermal fatigue in multilayer structures: Thermal and mechanical approach,” Microelectron. Reliab., vol. 41, no. 4, pp. 517–523, 2001.
[13] J. Lau, Ed., Thermal Stress and Strain in Microelectronics Packaging. New York, NY, USA: Springer, 2012.
[14] K. Weide, “Impact of FEM simulation on reliability improvement of packaging,” Microelectron. Reliab., vol. 39, nos. 6–7, pp. 1079–1088, 1999.
[15] R. Ghaffarian, “Accelerated thermal cycling and failure mechanisms for BGA and CSP assemblies,” J. Electron. Packag., vol. 122, no. 4, pp. 335–340, 2000.
[16] R. Ghaffarian, “CCGA packages for space applications,” Microelectron. Reliab., vol. 46, no. 12, pp. 2007–2015, 2006.
[17] A. Lambert, A. Mian, J. Hogan, T. Kaiser, and B. LaMeres, “Finite element analysis of system-level electronic packages for space applications,” J. Comput. Eng., vol. 2015, Art. no. 428073, 2015.
[18] T.-Y. Park, J.-C. Park, and H.-U. Oh, “Evaluation of structural design methodologies for predicting mechanical reliability of solder joint of BGA and TSSOP under launch random vibration excitation,” Int. J. Fatigue, vol. 114, pp. 206–216, 2018.
[19] J. Parry, C. Bailey, and C. Aldham, “Multiphysics modelling for electronics design,” in Proc. 7th Intersoc. Conf. Thermal Thermomech. Phenomena Electron. Syst. (ITHERM), vol. 2, pp. 86–93, 2000.
[20] Y. Wang, H. Liu, L. Huo, H. Li, W. Tian, H. Ji, and S. Chen, “Research on the reliability of advanced packaging under multi-field coupling: A review,” Micromachines, vol. 15, no. 4, Art. no. 422, 2024.
[21] Z. Wang, C. L. Bak, H. Wang, H. Sørensen, and F. Faria da Silva, “Multiphysics digital model of the high-frequency transformer for power electronics application considering electro-thermal interactions,” IEEE Trans. Power Electron., 2023.
[22] H. Köck, S. Eiser, and M. Kaltenbacher, “Electrothermal multiscale modeling and simulation concepts for power electronics,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 31, no. 4, pp. 3128–3140, 2015.
[23] W. Engelmaier, “The use environments of electronic assemblies and their impact on surface mount solder attachment reliability,” IEEE Trans. Compon., Hybrids, Manuf. Technol., vol. 13, no. 4, pp. 903–908, 1990.
[24] D. P. Duffek, “Effects of combined thermal and mechanical loading on the fatigue of solder joints,” Ph.D. dissertation, Univ. Notre Dame, Notre Dame, IN, USA, 2004.
[25] H.-C. Cheng, K.-N. Chiang, C.-K. Chen, and J.-C. Lin, “A study of factors affecting solder joint fatigue life of thermally enhanced ball grid array assemblies,” J. Chin. Inst. Eng., vol. 24, no. 4, pp. 439–451, 2001.
[26] R. Dudek, M. Hildebrandt, K. Kreyßig, S. Rzepka, R. Döring, L. Scheiter, M. Zhang, and R. W. Ortmann, “Analysis of solder fatigue on mounted test assemblies under thermal cycling loads,” in Proc. 21st Int. Conf. Thermal, Mech. Multi-Physics Simul. Exp. Microelectron. Microsyst. (EuroSimE), pp. 1–8, 2020.
[27] W. W. Lee, L. T. Nguyen, and G. S. Selvaduray, “Solder joint fatigue models: Review and applicability to chip scale packages,” Microelectron. Reliab., vol. 40, no. 2, pp. 231–244, 2000.
[28] X. Li, R. Sun, and Y. Wang, “A review of typical thermal fatigue failure models for solder joints of electronic components,” in IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., vol. 242, no. 1, Art. no. 012103, 2017.
[29] C. Han and B. Han, “Board-level reliability analysis of chip resistor assemblies under thermal cycling: A comparison study between SnPb and SnAgCu,” J. Mech. Sci. Technol., vol. 28, pp. 879–886, 2014.
[30] L. F. Coffin Jr., “A study of the effects of cyclic thermal stresses on a ductile metal,” Trans. ASME, vol. 76, no. 6, pp. 931–949, 1954.
[31] I. Sharif, D. B. Barker, A. Dasgupta, and M. G. Pecht, “Fatigue analysis of a Planarpak™ surface mount component,” in Proc. IEEE 41st Electron. Components Technol. Conf. (ECTC), 1991.
[32] M. Pecht and A. Dasgupta, “Physics-of-failure: An approach to reliable product development,” J. Inst. Environ. Sci., vol. 38, no. 5, pp. 30–34, 1995.
[33] W. Engelmaier, “Fatigue life of leadless chip carrier solder joints during power cycling,” IEEE Trans. Compon., Hybrids, Manuf. Technol., vol. 6, no. 3, pp. 232–237, 1983.
[34] S. Verma, A. Dasgupta, and D. Barker, “A numerical study of fatigue life of J-leaded solder joints using the energy partitioning approach,” in Proc. IEEE 43rd Electron. Components Technol. Conf. (ECTC), 1993.
[35] H. Akay, N. H. Paydar, and A. Bilgic. "Fatigue life predictions for thermally loaded solder joints using a volume-weighted averaging technique." pp. 228-235, 1997.
[36] A. Syed, “Accumulated creep strain and energy density based thermal fatigue life prediction models for SnAgCu solder joints,” in Proc. 54th Electron. Components Technol. Conf. (ECTC), vol. 1, pp. 737–746, 2004.
[37] B. Qiu, J. Xiong, H. Wang, S. Zhou, X. Yang, Z. Lin, M. Liu, and N. Cai, “Survey on fatigue life prediction of BGA solder joints,” Electronics, vol. 11, no. 4, Art. no. 542, 2022.
[38] ANSYS Sherlock Documentation. [Online]. Available: https://ansyshelp.ansys.com/
[39] J. He, Y. Ling, and D. Lei, “Mechanical properties of Sn–Pb-based solder joints and fatigue life prediction of PBGA package structure,” Ceram. Int., vol. 49, no. 16, pp. 27445–27456, 2023.
[40] S. Mizuta, “High reliability lead-free solder SN100C (Sn–0.7Cu–0.05Ni+Ge),” Strain, vol. 60, 2024.
[41] J. Depiver, S. Mallik, and E. H. Amalu, “Comparative analysis of SAC solder alloys for enhanced reliability in electronic assemblies: A finite element approach,” 2024.
[42] R. Coyle, M. Reid, C. Ryan, R. Popowich, P. Read, D. Fleming, M. Collins, J. Punch, and I. Chatterji, “The influence of the Pb-free solder alloy composition and processing parameters on thermal fatigue performance of a ceramic chip resistor,” in Proc. 59th Electron. Components Technol. Conf. (ECTC), pp. 423–430, 2009.
[43] E. Werner, “Fatigue life of leadless chip carrier solder joints during power cycling,” IEEE Trans. Compon., Hybrids, Manuf. Technol., vol. 6, no. 3, pp. 232–237, 1983.
 
 
 
دوره 5، شماره 2
شماره دهم - اسفند 1404
اسفند 1404
صفحه 34-53

  • تاریخ دریافت 10 آبان 1403
  • تاریخ بازنگری 14 آذر 1403
  • تاریخ پذیرش 16 اردیبهشت 1404