UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione
WORKSHOP ESPERIMENTO APOLLO – MILANO 18/12/2012
ANALISI NUMERICA E SETUP SPERIMENTALE PER LA VALUTAZIONE DEL DEGRADO
DELLE SALDATURE DA STRESS TERMO-MECCANICO
NICOLA DELMONTE, PAOLO COVA, FRANCESCO GIULIANI
Devices, Electronic Applications and Sensors DEAS
Studio del degrado di saldature lead-free
per fatica termo-meccanica
• Cicli accelerati di potenza su MOSFET
Stato on
Stato off
Stress termo-meccanico
• Saldatura di un piedino : singolo campione
• Studio di carattere statistico
• Numero sufficientemente elevato di
campioni
2
Studio del degrado di saldature lead-free
per fatica termo-meccanica
Dispositivo in package SO-8 su scheda
saldatura
Low Cycles Fatigue, LCF
High Cycles Fatigue, HCF
105
N° di cicli al guasto
Si usa un metodo basato
sulle deformazioni (strain)
Si usa un metodo
basato sulle tensioni
(stress)
Coffin-Manson
Basquin
∆𝜀𝑝
= 𝜀′𝑓 𝑁𝑓 𝑐
2
𝜎𝑎 = 𝜎′𝑓 𝑁𝑓 𝑏
Valide per carichi assiali
3
Ricerca del numero di cicli al guasto
Nel caso di strutture con carichi multiassiali si può seguire un
approccio di caso peggiore:
1. Individuazione della saldatura con il grado di
plasticizzazione più elevato (ricerca dello stress di Von
Mises più elevato)  è la giunzione meccanica con la più
alta probabilità di sviluppo di una crepa
2. nella giunzione individuata al punto precedente,
individuazione della superficie del saldante con lo stress di
Von Mises medio più elevato, ovvero ricerca della
superficie con il maggior grado di plasticizzazione
3. Ricerca della massima deformazione sulla superficie
individuata al punto 2
4. Applicazione della legge di Coffin-Manson con la
deformazione individuata
4
Modello 3D di un SO-8 bondless
resin lid
8
copper
source
contact
7
6
1
2
5
3
silicon die
4
Geometria delle saldature
quanto più fedele possibile
alla realtà
copper
drain
contact
5
Von Mises stress [norm]
Simulazioni FEM di cicli di potenza preliminari
1.2
0.3 W
0.4 W
0.5 W
0.6 W
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1
2
3
4
5
6
7
8
solder joint position
6
Modelli da implementare
• Nuovi dispositivi bondless
Primo dispositivo
considerato
Package LFPAK
source
S25NH3LL
in package SO-8
Non più in commercio
drain
gate
NXP PSMN011-30YLC
• Considerare il creep
Package SuperSO8
Tecnologia Infineon
OptiMOS2
Infineon BSO052N03S
7
Il banco di stress
8
La scheda di stress
Layout scheda PCB
• Ogni MOSFET pensato come unità
termicamente indipendente
• 16 MOSFET sulla scheda PCB
(16x7=112 campioni ogni scheda)
CELLA
4,5 cm
Cella
Vcc
4,5 cm
Rg
Rs
9