Verformung und Schädigung von Werkstoffen der Aufbau- und Verbindungstechnik (eBook)

Vorwort 5
Inhaltsverzeichnis 7
1 Problematik 11
1.1 Ausfälle in elektronischen Aufbauten 11
1.2 Rolle der Werkstoffuntersuchung im Entwicklungszyklus 14
1.3 Werkstoffverhalten und Miniaturisierung 18
1.4 Verformungsverhalten von Metallen 20
1.4.1 Bedeutung 20
1.4.1.2 Experimentelle Untersuchung und Physik der Verformung 21
1.4.2 Verformungsverhalten 22
1.4.2.1 Begriff, Darstellung und Ermittlung des Verformungsverhaltens 22
1.4.2.2 Arten der Verformung 25
1.5 Untersuchungsmethoden 25
1.6 Ziel der Arbeit 27
2 Untersuchungsgegenstand 29
2.1 Zusammenhang zwischen Gegenstand und Methodik der Untersuchung 29
2.2 Wesen und Entwicklung des Untersuchungsgegenstandes 32
2.2.1 Begriff der Aufbauund Verbindungstechnik der Elektronik 32
2.2.2 Inhalt der Aufbauund Verbindungstechnik der Elektronik 33
2.2.3 Entwicklung der Aufbauund Verbindungstechnik der Elektronik 34
2.3 Architektur elektronischer Aufbauten 37
2.3.1 Grundkonzept und Aufbauhierarchie 37
2.3.2 Erste Verbindungsebene 39
2.3.2.1 Entwicklung und Aufgaben der ersten Verbindungsebene 40
2.3.2.2 Drahtbondtechnik 41
2.3.2.3 Flip-Chip-Technik 45
2.3.2.4 Trägerfilmtechnik 49
2.3.3 Zweite Verbindungsebene 51
2.3.3.1 Entwicklung und Aufgaben der zweiten Verbindungsebene 51
2.3.3.2 Verdrahtungsträger 55
2.3.3.3 Bauelementeformen von integrierten Schaltkreisen 58
2.3.3.4 Formen passiver Bauelemente 63
2.3.4 Architekturentwicklung 65
2.3.5 Strukturabmessungen in elektronischen Aufbauten 69
2.4 Thermisch-mechanische Problematik elektronischer Aufbauten 71
2.4.1 Ursachenherkunft 71
2.4.2 Grundlegende physikalische Ursachen 73
2.4.3 Aspekte der Architekturund Entwicklungskonzeption 75
2.4.4 Werkstoffphysikalische Seiteneffekte 78
2.4.5 Belastungsszenarien 78
3 Struktur metallischer Werkstoffe 81
3.1 Zusammenhang zwischen Verformung und strukturellem Aufbau 81
3.2 Struktureller Aufbau 83
3.2.1 Strukturebenen 83
3.2.2 Atomarer Aufbau 88
3.2.2.1 Atombindungen 88
3.2.2.2 Kristallsysteme, Raumgitter 89
3.2.2.3 Intermetallische Phasen 90
3.2.3 Werkstoffgefüge 93
3.2.3.1 Arten von Gitterbaufehlern 94
3.2.3.2 Punktdefekte 94
3.2.3.3 Linienförmige Defekte 97
3.2.3.4 Körner und Korngrenzen 99
3.2.3.5 Phasen und Phasengrenzen 101
3.2.3.6 Kristallgemische 102
3.2.3.7 Ausscheidungen 103
3.3 Legierungen 104
3.3.1 Formen von Legierungen 104
3.3.2 Eutektische Systeme 105
3.3.3 Systeme mit intermediären Phasen 109
3.3.4 Andere Systeme 110
3.3.5 Dreiund Vielstoffsysteme 113
3.4 Gefügeausbildung bei Erstarrung von Legierungen 114
3.4.1 Entstehung des Erstarrungsgefüges 114
3.4.2 Erstarrungsgefüge von Sn-Basis-Loten 123
3.5 Gefügeveränderung 144
3.5.1 Gefügeveränderung durch thermische Belastung 144
3.5.2 Gefügeveränderung durch thermisch-mechanische Belastung 149
4 Elastische Verformung 153
4.1 Phänomenologie der elastischen Verformung 153
4.2 Physikalischer Hintergrund der elastischen Verformung 154
4.2.1 Verzerrung des Kristallgitters 154
4.2.2 Nichtlinearität der elastischen Verformungsreaktion 156
4.3 Beschreibung der elastischen Verformung 157
4.3.1 Elastizitätsmodul 157
4.3.2 Die Querkontraktionszahl 161
4.3.3 Der Schubmodul 162
4.3.4 Der Bulkmodul 162
4.3.5 Richtungsabhängigkeit der elastischen Konstanten 163
4.3.6 Temperaturabhängigkeit der elastischen Konstanten 166
5 Plastische Verformung 167
5.1 Phänomenologie der plastischen Verformung 167
5.1.1 Erscheinungsformen 167
5.1.2 Verformungsmechanismenkarten 168
5.2 Kinetik der plastischen Verformung 170
5.2.1 Versetzungsbewegung 170
5.2.2 Versetzungskinetik 174
5.2.3 Bedeutung der Kinetik der Versetzungsbewegung für die Beschreibung und Charakterisierung der plastischen Verformung 182
5.3 Niedertemperaturplastizität 184
5.3.1 Merkmale 184
5.4 Hochtemperaturplastizität 189
5.4.1 Merkmale 189
5.4.2 Beschreibung des zeitabhängigen Verformungsverhaltens 192
5.4.3 Grundmechanismen 195
5.5 Wechselverformung 211
5.5.1 Merkmale 211
5.5.2 Beschreibung der Wechselverformung 213
5.5.3 Mechanismencharakteristik bei Wechselverformung 217
5.5.3.1 Verformungsreaktion bei zyklischer Beanspruchung 217
5.5.3.2 Versetzungsanordnungen bei zyklischer Beanspruchung 218
5.5.3.3 Aufbau von Subkörnern 220
5.5.4 Materialgedächtniseffekte 221
5.5.4.1 Der Bauschinger-Effekt 221
5.5.4.2 Lastwechseleffekte 221
6 Schädigung 223
6.1 Technische Ursachen von Ausfällen 223
6.2 Materialphysik der Schädigung 225
6.2.1 Problematik der Ursacheninterferenz 225
6.2.2 Wichtige nichtmechanische Schädigungsmechanismen 226
6.2.3 Mechanismen der mechanischen Schädigung von Werkstoffen 229
6.2.3.1 Problematik der Mechanismenvielfalt im Schädigungsverlauf 229
6.2.3.2 Mechanismencharakteristik der Schädigungskinetik 234
6.2.3.3 Bruchmechanismenkarten 236
6.2.3.4 Bruch auf atomarem Niveau 238
6.2.3.5 Rissentstehung 241
6.2.3.6 Risswachstum 243
6.3 Modellierung der Materialschädigung 245
6.3.1 Problematik der Schädigungsmodellierung 245
6.3.2 Bruchmechanische Konzepte 246
6.3.2.1 Hintergrund bruchmechanischer Konzepte 246
6.3.2.2 Linear-elastische Bruchmechanik 248
6.3.2.3 Nichtlineare Bruchmechanik 254
6.3.2.4 Problematik der Rissspitzenplastizität 257
6.3.2.5 Bewertung der Rissausbreitung bei Wechselbelastung 260
6.3.3 Empirische Ermüdungsmodelle 271
6.3.3.1 Hintergrund empirischer Ermüdungsmodelle 272
6.3.3.2 Spannungsamplitude-Lebendauer-Ansätze 272
6.3.3.3 Dehnungsamplitude-Lebensdauer-Ansätze 275
6.3.3.4 Dehnungsenergie-Lebensdauer-Ansätze 279
6.3.4 Kontinuums-Schadensmechanik 279
7 Experimentelle Untersuchungsmethoden 283
7.1 Problematik der experimentellen Untersuchung 283
7.2 Entwicklung, Ziele und Verfahren der klassischen Werkstoffprüfung 285
7.2.1 Historische Entwicklung 285
7.2.2 Verfahren und Ziele 286
7.2.3 Entwicklung miniaturisierter Versuche 290
7.3 Werkstoffprüfung für stark miniaturisierte Proben 292
7.3.1 Grundproblematik 292
7.3.2 Besonderheiten der Prüfmaschinen für miniaturisierte Proben 293
7.3.2.1 Grundsätzlicher Aufbau 293
7.3.2.2 Krafteinleitung und Einspannung 294
7.3.2.3 Antrieb 302
7.3.2.4 Messaufnehmer 307
7.3.2.5 Rahmen 314
7.3.2.6 Datenerfassung und -verarbeitung/Steuerung 315
7.4 Probekörper für miniaturisierte Versuche 316
7.4.1 Ziele der Probengestaltung 316
7.4.2 Idealisierte Bulkproben 319
7.4.3 Idealisierte Mikroproben 322
7.4.4 Reale Mikroproben 328
7.4.4.1 Hintergrund 328
7.4.4.2 Auswertung des Verformungsverhaltens 329
7.4.4.3 Probekörpergestaltung 330
7.5 Realisierungen von Prüfmaschinen für miniaturisierte Proben 333
7.5.1 Prüfmaschinenkonzepte 333
7.5.2 Kleinlastprüfmaschinen 335
7.5.2.1 Spezifische Eigenschaften 335
7.5.2.2 MTS Tytron-250 336
7.5.2.3 Kleinlastzugmaschine im Laboraufbau 338
7.5.2.4 Kleinlastrahmen im Laboraufbau 341
7.5.3 Prüfmaschinen für Scherversuche an kleinvolumigen Kontakten 343
7.5.3.1 Versuchsmethodischer Hintergrund 343
7.5.3.2 Deformationseinrichtung für kleinstvolumige Flip-Chip-Kontakte 344
7.5.3.3 Deformationseinrichtung für kleinvolumige Lotkontakte 350
7.5.3.4 Deformationseinrichtung für Elektronenmikroskop 353
7.5.3.5 Ermüdungseinrichtung für kleinstvolumige Lotkontakte 355
7.5.4 Ring-Pin-Prüfmaschinen für Lot in Durchkontaktierungen 356
7.5.4.1 Versuchsmethodischer Hintergrund 357
7.5.4.2 Lastrahmen für Leiterplatten-Durchkontaktierungs-Probekörper 357
8 Experimentelle Ergebnisse 359
8.1 Bewertung des Datenmaterials 359
8.2 Einstoffsystem Zinn 360
8.2.1 Auswahl des Datenmaterials 360
8.2.2 Elastische Eigenschaften 361
8.2.3 Instantanplastische Verformung 363
8.2.4 Kriechverhalten 365
8.3 Zweistoffsystem mit Mischkristallbildung Zinn Blei 366
8.3.1 Auswahl des Datenmaterials 366
8.3.2 Elastische Eigenschaften 369
8.3.3 Instantanplastische Verformung 371
8.3.3.1 Untersuchungen an Bulkproben 371
8.3.3.2 Untersuchungen an Flip-Chip-Kontakten 373
8.3.4 Kriechverhalten 379
8.3.4.1 Untersuchungen an Bulkproben 379
8.3.4.2 Untersuchungen an Flip-Chip-Kontakten 382
8.3.5 Rissausbreitungsverhalten 389
8.3.5.1 Untersuchungen an Bulkproben 389
8.3.5.2 Untersuchungen an Flip-Chip-Kontakten 390
8.4 Zweistoffsystem mit Teilchenhärtung Zinn Silber 396
8.4.1 Auswahl des Datenmaterials 396
8.4.2 Elastische Eigenschaften 398
8.4.3 Instantanplastische Verformung 400
8.4.3.1 Untersuchungen an Bulkproben 400
8.4.3.2 Untersuchungen an Flip-Chip-Kontakten 401
8.4.4 Kriechverhalten 404
8.4.4.1 Untersuchungen an Bulkproben 404
8.4.4.2 Untersuchungen an Durchkontaktierungen in Leiterplatten 412
8.4.4.3 Untersuchungen an kleinvolumigen Lotkontakten 416
8.4.4.4 Untersuchungen an Flip-Chip-Kontakten 420
8.5 Dreistoffsystem mit Teilchenhärtung Zinn Silber Kupfer 428
8.5.1 Auswahl des Datenmaterials 428
8.5.2 Elastische Eigenschaften 429
8.5.3 Instantanplastische Verformung 432
8.5.4 Kriechverhalten 435
8.5.4.1 Untersuchungen an Bulkproben 436
8.5.4.2 Untersuchungen an Durchkontaktierungen in Leiterplatten 443
8.5.4.3 Untersuchungen an kleinvolumigen Lotkontakten 445
8.5.5 Rissausbreitungsverhalten an Flip-Chip-Kontakten 455
9 Schlussfolgerungen und zukünftige Herausforderungen 456
9.1 Mechanik und Werkstoffphysik für die Elektronik 456
9.2 Der Größeneffekt in Werkstoffstrukturen elektronischer Aufbauten 459
9.2.1 Ausgangspunkt 459
9.2.2 Auswertung des Datenmaterials an Sn-basierten Loten 461
9.2.3 Bezug zur Werkstoffstruktur der Lotlegierungen 467
9.2.4 Schlussfolgerungen bezüglich der Mikrofügetechnologien 469
9.3 Modelle Schnittstelle zwischen Experiment und Simulation 470
Modell 470
9.4 Gestaltung einer entwicklungsbegleitenden Werkstoffdatenermittlung 476
9.4.1 Erfordernisse 476
9.4.2 Retrospektive der eigenen Untersuchungen 478
9.4.3 Ableitungen für die Zukunft einer entwicklungsbegleitenden Werkstoffdatenermittlung 480
Literaturverzeichnis 484
Weiterführende Literatur zu den Kapiteln 518
Sachverzeichnis 520

"5 Plastische Verformung (S. 157-158)

5.1 Phänomenologie der plastischen Verformung

5.1.1 Erscheinungsformen

Die plastische Verformung eines polykristallinen Metalls wird üblicherweise mit dem in Abb. 1.5 dargestellten Verformungsverhalten assoziiert, bei dem das Material nach dem Erreichen einer Fließspannung sich plastisch zu verformen beginnt und der Deformation nur noch einen geringen Widerstand entgegensetzt, während es sich unterhalb dieser Fließgrenze elastisch verformt und der Deformation einen hohen Widerstand entgegenbringt. Ein solches Verhalten existiert allerdings nur bei .

Oberhalb ergibt sich ein wesentlich differenzierteres Bild. Die Art und Weise, wie sich ein Werkstoff plastisch verformt, kann dann nicht mehr einem bestimmten Beanspruchungsparameter zugeordnet werden, sondern hängt von einem komplexen Zusammenhang zwischen verschiedenen Parametern ab, unter denen die Spannung, die Verformungsgeschwindigkeit, die Temperatur sowie die Werkstoffstruktur die wichtigsten sind.

Der Werkstoffwiderstand, den ein sich plastisch verformendes Material einer bestimmten Beanspruchung, z. B. einer Spannung, entgegenbringt, kann bei einer explosionsartigen Verformung, welche nur wenige Millisekunden bzw. Mikrosekunden dauert, sehr viel größer sein als bei einer instantanen Verformung, welche im Sekundenbereich abläuft. Trägt eine plastische Verformung hingegen einen allmählichen Charakter, sodass diese sich in einem Zeitraum von mehreren Minuten bis zu einigen Jahren hinzieht, so ist der durch den Werkstoff aufgebaute Widerstand gegen die Verformung in der Regel sehr viel geringer als bei einer instantanen Verformung.

In typischen Strukturen von elektronischen Produkten, wie z. B. dem Lotkontakt eines flächenkontaktierten Halbleiterbauelementes in einem Mobiltelefon, treten sehr oft alle Möglichkeiten der plastischen Verformung auf (vgl. 2.4.5), wodurch eine sehr grundlegende Darstellung der vielfältigen Erscheinungsformen plastischer Verformung notwendig wird, welche sich im Gegensatz zur phänomenologischen Beschreibung der elastischen Verformung (vgl. 4.1) nicht über eine einfache Darstellung der Werkstoffreaktion durch einen funktionalen Zusammenhang zwischen den Verformungsparametern Spannung und Dehnung erreichen lässt. Im Diagramm in Abb. 4.1 sind die Werkstoffreaktionen der elastischen und plastischen Verformung einander gegenübergestellt. Hieraus lässt sich die Abgrenzung der plastischen gegenüber der elastischen Verformung ersehen. Wird im Gegensatz zur elastischen Verformung die Beanspruchung, d. h. die Dehnungsänderung über der Zeit, beginnend bei null (A) bis zu einem Wert gesteigert, welcher"