Vibration reliability of Pb-free solder joints
Institution:
ValenciennesDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Reduction of hazardous substances (RoHS) has banned the use of classical lead-containing solder materials in automotive electronics. Nowadays, electronic devices used in the car industry are submitted to harsh environments and solder joints are usually the cause of reliability problems. Temperature changes and humidity are well known to generate a considerable amount of the whole damage. Nevertheless, vibration loads also play a crucial but still unknown role in the damage generated on solder joints. The lifetime prediction of solder joints submitted to vibrations requires SN curves which are not yet available for these new solder materials. The present study proposes a high efficient method which combines experiments and simulation to obtain SN material curves based on real solder joints. Results are obtained and presented for two standard solder materials. The method is widely described and validated. Tests are carried out with different SMD chip resistors in order to verify that the obtained SN curves can also be used for smaller solder joints. The obtained material data enables a lifetime prediction based on FE simulations which has the advantage of being cost competitive and faster than testing on a prototype. Furthermore, the method requires no customized software and can be used on any commercially available FE code.
Abstract FR:
La directive RoHS visant à limiter la présence de substances dangereuses dans les équipements électriques interdit l’utilisation du plomb, jusqu’à présent couramment utilisé dans les soudures de composants électroniques. Par ailleurs, les systèmes électroniques de plus en plus nombreux dans l’automobile sont soumis à des environnements hostiles où les variations de température, les vibrations ainsi que les niveaux d’humidité importants endommagent les soudures et mettent en cause la fiabilité des systèmes. Même s’il est couramment admis que température et humidité sont responsables d’une partie importante de l’endommagement, l’effet des vibrations sur l’endommagement global a rarement été étudié alors qu’il contribue incontestablement à l’endommagement global des nouvelles soudures sans plomb. Dans le cas présent, l’étude de la fatigue des soudures due aux vibrations est de type cyclique et requiert l’utilisation de courbes de Wöhler qui ne sont pas disponibles pour les nouveaux alliages de soudures sans plomb. Cette étude propose une méthode qui combine simulation et résultats expérimentaux pour générer les courbes de Wöhler. Les résultats obtenus sont vérifiés sur deux types de soudures pour en évaluer la validité. Cette méthode permet de réaliser des prévisions de durée de vie à l’aide de simulations numériques, ce qui permet d’améliorer la qualité du produit ainsi que de réduire les coûts et les temps de développement.