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

Veröffentlicht von:Magdalena Stoever Geändert vor über 10 Jahren

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1 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 1 Institute of Mechanics Chair for Continuum Mechanics and Materials Theory Our Mission: The modeling of the behavior of engineering structures made of complex materials

2 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 2

3 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 3 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

4 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 4 Contents Motivation: Of solders and their ailments Problem definition: mechanics & thermodynamics of changes in microstructure Computer simulations The quest for reliable material parameters

5 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 5 Contents Motivation: Of solders and their ailments Problem definition: mechanics & thermodynamics of changes in microstructure Computer simulations The quest for reliable material parameters

6 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 6 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

7 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 7 Eutectic SnPb Deposited on Copper, Cooled in a Muffle Furnace and Aged Using a Heating Cartridge Thermostatic Control ThermocoupleCartridge HeaterSolder

8 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 8 Eutectic SnPb Deposited on Copper, cooled in a Muffle Furnace and Aged Using a Heating Cartridge Formation of Lamellae

9 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 9 Scanning Electron Microscope (SEM) Analysis 0 h22 h

10 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 10 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

11 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 11 Contents Motivation: Of solders and their ailments Problem definition: mechanics & thermodynamics of changes in microstructure Computer simulations The quest for reliable material parameters

12 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 12 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:

13 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 13 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

14 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 14 Contents Motivation: Of solders and their ailments Problem definition: mechanics & thermodynamics of changes in microstructure Computer simulations The quest for reliable material parameters

15 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 15 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:

16 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 16 Aging at low temperature (with different CTEs): Then switch to high temperature: Aging at high temperature with isotropic surface tensions:

17 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 17 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:

18 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 18 Aging at high temperature with thermal w/o external load: Aging at high temperature with thermal load and horizontal tension :

19 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 19 Computer simulation of the aging process

20 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, e-mail: Wolfgang.H.Mueller@tu-berlin.de, 2003 20 Contents Motivation: Of solders and their ailments Problem definition: mechanics & thermodynamics of changes in microstructure Computer simulations The quest for reliable material parameters

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