Atomic layer deposition (ALD) for tin whisker mitigation on Pb-free surfaces

Atomic layer deposition (ALD) for tin whisker mitigation on Pb-free surface

Atomic Layer Deposition (ALD) to Mitigate Tin Whisker Growth and Corrosion Issues on Printed Circuit Board Assemblies

This paper presents the results of a research program set up to evaluate atomic layer deposition (ALD) conformal coatings as a method of mitigating the growth of tin whiskers from printed circuit board assemblies. The effect of ALD coating process variables on the ability of the coating to mitigate whisker growth were evaluated. Scanning electron microscopy and optical microscopy were used to evaluate both the size and distribution of tin whiskers and the coating/whisker interactions. Results show that the ALD process can achieve significant reductions in whisker growth and thus offers considerable potential as a reworkable whisker mitigation strategy. The effect of ALD layer thickness on whisker formation was also investigated. Studies indicate that thermal exposure during ALD processing may contribute significantly to the observed whisker mitigation

Kiihdytettyjen testiparametrien ja vauriomekanismien vaikutuksia elektroniikan kokoonpanojen luotettavuuteen

This dissertation presents the results of accelerated reliability assessment methods employed on lead-free component board assemblies. Temperature cycling and mechanical shock tests are commonly used to assess the reliability of portable electronic products. Higher acceleration factors can be achieved by exposing the devices under test to higher loadings than those experienced in operation conditions or producing the loadings more frequently. Recently there has been an increasing interest towards the optimization of test parameters in order to minimize the time required for testing. However, if the effects of acceleration procedures, especially on solder interconnection microstructures, are not well-understood, misleading conclusions can be made that can lead to poor product reliability having disastrous consequences in the worst case. The results of this work demonstrate that the highly accelerated test conditions can lead to excessive lifetime acceleration and misleading failure mechanisms. It is shown that relaxation of the residual stresses has a significant effect on the shock impact lifetime of component boards while the failure mechanism(s) do not change with the increased impact repetition frequency. Relaxation of the residual stresses in load bearing materials takes place during the time between the impacts. The extent to which they can operate affects the way how the stresses/strains in the solder interconnections develop during further impacts. Similarly, lifetimes and failure mechanisms of component boards under thermomechanical cyclic conditions are shown to be dependent on the accelerated test parameters. In the highly accelerated tests, the microstructural evolution (recrystallization) controls the propagation of cracks, while in the real-use conditions, significantly less microstructural evolution takes place and the rate of crack propagation through the solder is notably lower. Re-assessment of the standardised test parameters and lifetime prediction models is therefore necessary in order to achieve better correlation between test conditions and real-use conditions. This work discusses different ways of achieving this target.Tässä väitöstyössä esittellään kiihdytettyjen luotettavuustestien vaikutuksia lyijyttömien kokoonpanojen luotettavuuteen. Lämpötilan vaihtelutestejä ja mekaanisia iskutestejä käytetään yleisesti kannettavien elektroniikkatuotteiden luotettavuuden arviointiin. Näiden testimenetelmien tarkoituksena on tuottaa samat vikamekanismit, jotka ilmenevät todellisissa käyttöympäristöissä, mutta huomattavasti lyhyemmässä ajassa. Suurempia kiihtyvyystekijöitä voidaan saavuttaa altistamalla testattavat kokoonpanot suuremmille rasituksille kuin mitä ne kokevat käyttöolosuhteissa tai tuottamalla rasitukset tiheämmin. Viime aikoina on ilmennyt kasvavaa kiinnostusta testiparametrien optimointiin, jotta voitaisiin minimoida aika, joka tarvitaan testien suorittamiseen. On kuitenkin huomioitava, että mikäli kiihtyvyystekijöiden vaikutuksia, erityisesti juoteliitosten mikrorakenteisiin, ei ymmärretä riittävän hyvin, voidaan tehdä harhaanjohtavia johtopäätöksiä, jotka voivat johtaa huonoon luotettavuuteen ja pahimmassa tapauksessa tuhoisiin seurauksiin. Tämän työn tulokset osoittavat, että erittäin kiihdytetyt testiolosuhteet voivat johtaa liialliseen eliniän kiihtyvyyteen ja harhaanjohtaviin vauriomekanismeihin. Työssä on osoitettu, että jäännösjännityksillä on merkittävä vaikutus komponenttilevyjen elinikään iskumaisten kuormitusten alla vaikkakaan vauriomekanismi ei muutu toistotaajuuden muuttuessa. Jäännösjännitysten relaksaatio juotemateriaaleissa tapahtuu iskujen välisenä aikana. Se missä määrin relaksaatiota ehtii tapahtua vaikuttaa siihen miten rasitustilat juoteliitoksissa muuttuvat seuraavien iskujen kuluessa. Vastaavasti komponenttilevyjen eliniät ja vauriomekanismit ovat riippuvaisia kiihdytettyjen testiparametrien muutoksista termomekaanisten syklisten olosuhteiden alla. Erittäin kiihdytetyissä testiolosuhteissa mikrorakenteellinen evoluutio (uudelleenkiteytyminen) ohjaa vaurioiden etenemistä, kun taas todellissa käyttöolosuhteissa  tapahtuu huomattavasti vähemmän mikrorakenteellista muutosta ja vaurioiden eteneminen juoteliitoksissa on huomattavasti hitaampaa. Standardoitujen testiparametrien ja elinikämallien uudellenarviointi on siten tarpeen, jotta voitaisiin saavuttaa parempi korrelaatio testiolosuhteiden ja todellisten käyttöolosuhteiden välille. Tämä työ käsittelee erilaisia tapoja tämän tavoitteen saavuttamiseksi

Nikkelillä tai vismutilla seostettujen Sn-Ag-Cu juoteliitosten luotettavuus pudotustestauksessa

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia erilaisten seosmetallien vaikusta lähes eutektisen Sn-Ag-Cu juotteen mikrorakenteeseen sekä niiden vaikutusta komponenttilevyjen luotettavuuteen mekaanisen rasituksen vaikutuksen alaisena. Pudotustestauksessa käytetyt materiaalit olivat tyypillisiä kannettavissa elektroniikkalaitteissa käytettyjä materiaaleja. Nikkeli ja vismutti valittiin kirjallisuustutkimuksen perusteella tutkittaviksi seosaineiksi, jolla pyritään parantamaan juoteliitosten kestävyyttä iskumaisessa kuormituksessa. Työn kirjallisuusosassa esiteltiin erilaisia lähes eutektisen Sn-Ag-Cu juotteen seosaineiksi soveltuvia metalleja. Kirjallisuusosassa esiteltiin myös pintaliitosprosessi, JESD22-B111 pudotustestistandardi, vauriomekanismi iskumaisessa kuormituksessa ja vaurioanalyyseihin käytettyjä menetelmiä. Kokeellinen osa on jaettu kolmeen osa-alueeseen: Ensimmäisessä osassa tutkittiin nikkelin ja vismutin vaikutusta lähes eutektisen Sn-Ag-Cu juotteen mikrorakenteeseen. Toisessa osassa esiteltiin testilevyjen kokoonpanoprosessi ja testaus. Lopuksi suoritettiin pudotustestitulosten tilastollinen luotettavuusvertailu ja tutkittiin vauriotyypit. Tilastollinen analyysi osoitti Sn-1.1Ag-0.52Cu-0.01-0.1Ni juoteliitosten olevan kaikista luotettavin vaihtoehto (kaikki luotettavuusvertailut 5 % riskitasolla). Sn-3.lAg-0.52Cu-0.24Bi juoteliitokset olivat yhtä luotettavia kuin Sn-3.1Ag-0.52Cu juoteliitokset Ni(P)Au-suojapinnoitteella. Sn-3.lAg-0.52Cu juoteliitokset CuOSP-suojapinnoitteella olivat epäluotettavin vaihtoehto. Tästä johtuen juoteliitosten koostumuksen todettiin olevan merkittävin pudotustestiluotettavuuteen vaikuttava tekijä. Mikrorakennetutkimukset paljastivat, että nikkeliä sisältävien juoteliitosten IMC-kerrokset olivat tasaisemmat kuin Sn-Ag-Cu tai Sn-Ag-Cu-Bi juoteliitosten IMC-kerrokset. Tämän lisäksi Sn-1.1Ag-0.52Cu-0.01-0,1Ni juoteliitosten alhaisempi hopeapitoisuus alentaa juotteen lujuutta, mikä vaikuttaa osaltaan pudotustestiluotettavuuteen. Tulokset viittaavat siihen, että seostamalla pienen määrän nikkeliä lähes eutektiseen Sn-Ag-Cu juoteliitokseen ja alentamalla niiden hopeapitoisuutta saadaan liitosrakenteet kestämään iskumaisia kuormituksia paremmin. Vismutin lisäys ei vaikuttanut pudotustestiluotettavuuteen. Vismutin seostamisen hyödyt ovat kuitenkin termisen syklauksen puolella, kuten kirjallisuudessa on todettu

Atomic layer deposition (ALD) for environmental protection and whisker mitigation of electronic assemblies

Funding Information: The majority of the work was financed by ESA project "Atomic Layer Deposition for Tin Whiskers Mitigation and Cure on Space Electronics Manufacturing" 4000122745/18/NL/LvH/gp. The authors also acknowledge use of facilities within the Loughborough Materials Characterisation Centre, UK. CS acknowledges the support from the Academy of Finland Flagship Program (Grant No.: 320167, PREIN) and support from Aalto Seed funding scheme. The authors wish to thank Adrian Tighe and Abel Brieva from ESA/ESTEC for providing information about the bake-out measurements. Publisher Copyright: © 2021, The Author(s).In this study, we demonstrate how metal-oxide thin-film conformal coatings grown by atomic layer deposition (ALD) can be exploited as an effective approach to mitigate tin whisker growth on printed circuit boards. First, we study the effect of different ALD coatings and process parameters on Sn–Cu-electroplated test coupons, by combining optical imaging and scanning electron microscopy and evaluating whisker distribution on the surface. On these samples, we found that one important parameter in mitigating whisker growth is the time interval between electroplating and the ALD coating process (pre-coat time), which should be kept of the order of few days (2, based on our results). Atomic layer-deposited coatings were also found to be effective toward whisker formation in different storage conditions. Furthermore, we show that ALD coating is also effective in limiting the need for outgassing of electronic assemblies (PCBAs), which is an additional stringent requirement for applications in space industry. Our experimental results thus demonstrated that atomic layer deposition is a suitable technique for aerospace applications, both in terms of degassing and whisker mitigation.Peer reviewe