Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie,

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Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Institute of Mechanics Chair for Continuum Mechanics and Materials Theory Our Mission: The modeling of the behavior of engineering structures made of complex materials

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller,

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Micromorphological Change in Solders and its Impact on Mechanical Properties: Experiments and Computer Simulations by W. H. Müller and W. Dreyer, R.L. Reuben Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Contents Motivation: Of solders and their ailments Problem definition: mechanics & thermodynamics of changes in microstructure Computer simulations The quest for reliable material parameters

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Contents Motivation: Of solders and their ailments Problem definition: mechanics & thermodynamics of changes in microstructure Computer simulations The quest for reliable material parameters

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, SMT solder joints: Formation of interface cracks Microstructural coarsening Ball Grid Arrays and solder ball before and after 4000 temperature cycles Aging at RT after (a) 2h, (b) 17d and (c) 63d (a) After solidification, (b) 3h and (c) 300 h at 125°C MELF miniature resistor and solder joints before and after 3000 temperature cycles Micromorphology of Materials: Aging of Eutectic SnPb Solder

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Eutectic SnPb Deposited on Copper, Cooled in a Muffle Furnace and Aged Using a Heating Cartridge Thermostatic Control ThermocoupleCartridge HeaterSolder

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Eutectic SnPb Deposited on Copper, cooled in a Muffle Furnace and Aged Using a Heating Cartridge Formation of Lamellae

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Scanning Electron Microscope (SEM) Analysis 0 h22 h

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Aging of Air-Cooled SnAg Deposited and Aged Using a Copper Block with Heating Cartridge Temperatur 180°C spheroidisation 0 h18 h 24 h40 h

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Contents Motivation: Of solders and their ailments Problem definition: mechanics & thermodynamics of changes in microstructure Computer simulations The quest for reliable material parameters

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Phase Field Model I: Mechanical aspects, objectives Effective method for calculating stresses / strains: for solids with complex microstructure subjected to external stresses/strains subjected to eigenstrains (e.g., thermal / lattice mismatch) Equations Mechanical equilibrium: Hookes law: Kinematic relations:

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Phase Field Model II: Thermodynamic aspects Diffusion equation / equation for order parameter: Extended diffusion flux / production density of the order parameter: Fick (1855) Cahn-Hilliard (1958) strain-energy density (1996) Physically based material parameters: diffusions / mobility coefficients specific Gibbs free energy surface tensions thermal expansion coefficients elastic coefficients

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Contents Motivation: Of solders and their ailments Problem definition: mechanics & thermodynamics of changes in microstructure Computer simulations The quest for reliable material parameters

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Aging at low temperature (time frame ): Aging at high temperature (time frame ) : Experimental result Aging at RT after (a) 2 h, (b) 17 d and (c) 63 d: (a) After solidification, (b) 3 h, and (c) 300 h at 125°C:

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Aging at low temperature (with different CTEs): Then switch to high temperature: Aging at high temperature with isotropic surface tensions:

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Aging at high temperature with thermal w/o external load: Aging at high temperature with thermal load and vertical tension : Further aging at low temperature after switching-off the external load:

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Aging at high temperature with thermal w/o external load: Aging at high temperature with thermal load and horizontal tension :

Technische Universität Berlin Fakultät für Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Mechanik Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik und Materialtheorie, Prof. W.H. Müller Copyright © Prof. Dr. rer. nat. W.H. Müller, Computer simulation of the aging process

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