Development of a viscoplastic-damage model for creep-fatigue FE-calculations of the lead-free SnAgCu solder alloy for automotive applications

Abstract

Automotive electronic devices are exposed to substantially harsher thermomechanical loads compared to commercial consumer electronic products. Inside an electronic device, there is a large number of solder joints, supporting the electrical as well as the mechanical interconnections. In terms of mechanical properties, solder joints are a weak point of the whole device assembly and can ultimately determine its reliability. In the past two decades, significant efforts have been made to set up methodologies for lifetime prediction of solder joints in automotive applications. Finite Element Analysis (FEA) is being increasingly employed with the aim to support product design and qualification process. However, constitutive FE models for solder alloys capable of describing their mechanical behavior at the relevant conditions of automotive applications are still not widely established. The currently employed state of the art material models applied in industry and research are based on uni-axial stationary creep. Thus, they naturally fail to describe properly the complex cyclic time-, strain rate, and temperature dependent behavior under the full temperature range of accelerated qualification lab tests and operation conditions. Furthermore, intrinsic degradation processes due to cyclic thermo-mechanical loading are not still completely investigated and are not taken into account within FE-calculations. Current FE-reliability prediction methodologies for solder joints are not possible without the usage of lifetime models (e.g. Coffin-Manson) and their calibration on a substantial set of experimental data. Due to the lack of models mapping intrinsic material degradation, the current prediction methods remain strongly constraint to a single solder type and loading conditions used within the lifetime experiments. More advanced techniques, originally proposed for steel alloys, employ viscoplastic constitutive models and damage mechanics and provide a powerful framework for predictive FE-based lifetime assessment. The goal of the present work is to build on these concepts and extend them for usage in solder joint simulations. An important part of the methodology development is the advanced experimental characterization necessary to obtain the material behavior, which extends the currently available research activities on solder alloys. The experimental investigations are focused on the intrinsic mechanical and aging properties of a Sn-based solder alloy and used for the formulation of a suitable FE-material model within the frame of damage mechanics. Within the thesis, a material testing procedure has been developed in order to perform mechanical characterization on standardized specimens. The test program includes strain rate controlled cycling, stress relaxation phases, uniaxial and multiaxial Low Cycle Fatigue (LCF) as well as creep tests in the temperature range: -40°C up to 125°C. As a first step, the mechanical and microstructure properties of the material in the initial state prior degradation are investigated. A viscoplastic material model of two viscous functions originally proposed by Chaboche et al. has been numerically implemented for 3D simulations. The model maps the observed stress dependence on temperature, time and strain-rate of the alloy in both low and high strain rate regimes. A step by step procedure for calibration of the model parameters in the temperature range -40/125°C is detailed and discussed. As a second step, aging mechanisms are investigated by means of creep and fatigue tests. A lifetime concept based on creep-fatigue partitioning is worked out and applied for the lifetime assessment of a real Surface Mounted Device (SMD) chip resistor under temperature cycling. The method’s predictions are correlated to reported experimental lifetime data within the project LiVe [1]. The proposed creep-fatigue partitioning approach provides means for fast estimation of solder joint reliability and might be used as a support of the design process of electronic devices. Finally, a full Continuum Damage Mechanics (CDM) model, which involves intrinsic damage propagation inside the material, has been developed and implemented for 3D simulations. Based on the observed aging properties, the damage model formulation takes into account local material softening due to creep-fatigue interaction. The CDM-simulation reveals the evolution of degradation in the solder joint component throughout its complete loading history. The main findings are discussed and put into perspective for future works dedicated to the implementation of the CDM approach for reliability prognosis and engineering lifetime concepts.

Automobilelektronik-Steuergeräte werden im Vergleich zu kommerziellen Produkten der Unterhaltungselektronik wesentlich höheren thermomechanischen Belastungen im Betrieb ausgesetzt. Steuergeräte enthalten eine Vielzahl von Lötstellen, die die elektrischen und mechanischen Verbindungen zwischen den elektronischen Bauelementen gewährleisten. Das Lotmaterial wird im Betrieb stark beansprucht und kann sich als ausschlaggebend für die Langzeitstabilität eines Steuergeräts erweisen. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden vermehrt Methoden zur Abschätzung der Lötstellenzuverlässigkeit für Kraftfahrzeuganwendungen entwickelt. Dabei wurden im Rahmen der Auslegung und Produktfreigabe numerische Finite Element (FE) Simulationen zur Lebensdauerprognose herangezogen. Allerdings stellt die Beschreibung des mechanischen Verhaltens von Loten in den relevanten Bedingungen der Automobilanwendungen immer noch eine Herausforderung dar. Die aktuell in Industrie und Forschung breit eingesetzten Materialmodelle für Lote dienen der Beschreibung von einachsigem stationärem Kriechen. Das komplexe zyklische Zeit-, Dehnraten- und temperaturabhängige Verhalten im gesamten Temperaturbereich von Labortests und Betriebsbedingungen kann mit diesen Modellen nicht vollständig abgebildet werden. Weiterhin, sind intrinsische Schädigungsprozesse aufgrund von zyklischen thermomechanischen Belastungen noch nicht vollständig untersucht und in FE-Berechnungen berücksichtigt. Aktuelle FE basierende Vorhersagemethoden für Lötstellen sind ohne die Verwendung von Lebensdauermodellen (z.B. Coffin-Manson) und deren Kalibrierung anhand von experimentellen Daten nicht möglich. Die resultierende Lebensdauerprognosen sind auf die im Experiment verwendeten Lötstellengeometrie und Belastungsbedingung eingeschränkt. Erweiterte Ansätze zur Lebensdauerprognose, die diese Limitierungen zu überwinden versuchen, wurden im Bereich der Stahl- und Hochtemperaturlegierungen entwickelt. Sie basieren auf viskoplastischen FE-Materialmodellen erweitert durch Ansätze der Schädigungsmechanik. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, auf diesen Konzepten aufzubauen und sie für die Anwendung in Lötstellensimulationen zu erweitern. Ein wichtiger Teil der Methodenentwicklung ist die fortgeschrittene experimentelle Charakterisierung, erforderlich zur Ermittlung des Materialverhaltens. Die experimentelle Charakterisierung konzentriert sich auf die intrinsischen mechanischen und Alterungseigenschaften einer Zinnbasis Lotlegierung und dient zur Formulierung eines geeigneten FE-Materialmodells. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Testprogramm entwickelt, um standardisierte Proben mechanisch zu charakterisieren. Das in der vorliegenden Arbeit ertüchtigte Materialprüfverfahren umfasst dehnratengesteuerte zyklische Belastungen erweitert durch Spannungsrelaxationsphasen, einachsige und mehrachsige Ermüdung (LCF) sowie Kriechversuche im Temperaturbereich von -40°C bis 125°C. In einem ersten Schritt wurden die mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften des Materials im Ausgangszustand vor der Alterung untersucht. Ein viskoplastisches Materialmodell mit zwei viskosen Funktionen, ursprünglich von Chaboche et al. erarbeitet, wurde numerisch für 3D-Simulationen implementiert. Das Modell bildet die experimentell beobachtete Spannungsabhängigkeit von Temperatur, Zeit und Dehnraten der Legierung sowohl im niedrigen als auch im hohen Dehnratenbereich ab. Eine schrittweise Methode zur Kalibrierung der Modellparameter im Temperaturbereich -40 bis 125°C wird detailliert dargestellt und diskutiert. In einem zweiten Schritt wurden die Alterungsmechanismen mittels Kriech- und Ermüdungstests untersucht. Ein Lebensdauerkonzept basierend auf Kriechermüdungspartitionierung wurde ausgearbeitet und auf Lebensdauerbewertung eines realen SMD-Chipwiderstands unter Temperaturwechselbelastung angewandt. Die Vorhersagen der Methode werden mit den veröffentlichten experimentellen Lebensdauerdaten aus dem Projekt LiVe korreliert [1]. Der Kriechermüdungs-Partitionierungsansatz bietet die Möglichkeit zur schnellen Abschätzung der Lötverbindungszuverlässigkeit und kann als Unterstützung der Designentwicklung und elektronischen Bauteilfreigabe verwendet werden. Weiterhin, wurde ein vollständiges CDM-Modell (Continuum Damage Mechanics) mit lokalen Schädigungsfortschritt entwickelt und für 3D-Simulationen implementiert. Dadurch kann der Schädigungszustand der Lötstelle unter der lokalen Wechselwirkung zwischen Ermüdungs- und Kriechschädigung berechnet werden. Die CDM-Simulation zeigt die Entwicklung der Werkstoffdegradierung in der Lötstelle während der gesamten Belastungshistorie. Abschließend, werden die wesentlichen Erkenntnisse, künftiger Forschungsbedarf und Ansätze zur Weiterentwicklung und Industrialisierung des CDM-Ansatzes diskutiert. Der CDM-Ansatz kann künftig ein wichtiges Werkzeug im Rahmen des Designs für Zuverlässigkeit darstellen mit dem neue Aufbau-und Verbindungstechnik- Konzepte und Beanspruchungskollektive rein rechnerisch bewertet und optimiert werden können.