Reliability Management

Transkript

1 Reliability Management SCANNING ACOUSTIC MICROSCOPY USED IN FAILURE ANALYSIS OF ELECTRONIC DEVICES side 4-6 AUGUST 2016

2 Nyt fra sekretariatet Kære medlemmer Velkommen til augustnummeret af SPM Magasinet. Nu er det nye SPMwebsite lanceret, og tovholderprocessen er etableret. Vi kan se, at mange af jer benytter det, og vi ser frem til at få jeres tilbagemelding. Vores strategi med at synliggøre SPM, gøre det enklere at være tovholder og få mere feedback fra medlemmerne arbejder vi videre med. Derfor har bestyrelsen besluttet, at der i forbindelse med generalforsamlingen i november inviteres til et møde for alle tovholderne. Mere information og invitation sendes ud, når vi nærmer os. Mission Profile projektet er gennemført, og rapporten vil snart være at finde på vores website. Vi indsamlede i foråret ideer til næste projekt. På den baggrund har bestyrelsen kombineret de ideer med størst opbakning. Beslutningen blev, at SPM sammen med DELTA får udarbejdet en praktisk guide, der beskriver processen og den konkrete udførelse i forhold til at kvantificere pålidelighed i form af et tal for levetiden, der er realistisk i forhold til virkeligheden. Formålet er at skabe et dialogværktøj mellem kunde og producent til at identificere de bedste metrikker, der illustrerer pålideligheden i den konkrete situation. Masterclass-forløbet er godt i gang. Der er rekordstor opbakning til forløbet, og flere virksomheder er på venteliste til næste omgang. Bestyrelsen overvejer at igangsætte et nyt forløb allerede ved årsskiftet. Skriv derfor gerne til SPMsekretariatet, såfremt din virksomhed ønsker at deltage i Masterclass. Temaet kan være både pålidelighed og EMC. Angiv gerne jeres virksomheds behov. DELTA og FORCE Technology fusionerer pr. 1. januar Det betyder, at den samlede virksomhed får en bredere kompetence omkring robusthed og pålidelighed, hvilket vi også forventer vil komme SPM s medlemmer til gode. Pr. 1. august har jeg valgt at søge nye udfordringer udenfor DELTA. Dermed kan jeg ikke længere varetage hvervet som sekretariat for SPM, og DELTA er ved at finde en ny person til at overtage mine opgaver. I mellemtiden vil Susanne Otto og Maria Nedersee varetage hvervet som sekretær for SPM s bestyrelse. Kristine Ploug vil forsat fungere som SPM s sekretariat. Tusind tak for et godt og udviklende samarbejde. Med venlig hilsen Christian Skytt ÆNDRING AF MEDLEMSKREDSEN SPM har nu 57 fuldt betalende medlemmer. Her af kommer 4 associerede medlemmer. NYE MEDLEMMER T&W Engineering A/S De 5 nyeste SPM-rapporter SPM-181: PRACTICALLY APPLICABLE RELIABILITY TOOLS A GUIDE WITH PRACTICAL CASES This report is a guide to reliability tools related to different phases of a product s life from the development phase to the field operation phase. It has the form of a handbook enabling the reader to get an overview of reliability tools in a few pages. A number of practical cases of tool application are described. Susanne Otto, Kim A. Schmidt og Jørn Johansen, DELTA, juni SPM-180: RELIABLE PRODUCTS SPECIFICATION AND VALIDATION OF CRITICAL PRODUCT PARTS This report provides guidance on specifying and validating critical product parts emphasizing reliability requirements and aspects. It is intended for situations, where the product part is bought off-the-shelf or where its development is outsourced. Leif Christiansen, Kim A. Schmidt og Henrik Funding Ravn, DELTA, april SPM-179: ACCELERATION FACTORS AND ACCELERATED LIFE TESTING - A GUIDE BASED ON PRACTICAL EXPERIENCES This report describes the basic concepts of acceleration factors, acceleration models and accelerated life testing, as they apply to electromechanical products. A number of practical examples and recommendations are given as well. Anders Bonde Kentved, DELTA, februar SPM-178: GUIDELINE FOR HÅNDTERING AF MSL OG PSL - HÅNDTERING I HENHOLD TIL IPC-JSTD-001, -020, -033 OG -075 Rapporten beskriver vha. flowdiagrammer typiske spørgsmål i forbindelse med komponenthåndtering for udvikler, distributør, indkøb, lager, produktion og service. Hytek, februar SPM-177: ROBUSTNESS AND PERFORMANCE OF ELECTRONICS DURING IMMUNITY TESTING - INVESTIGATION OF FAILURE MECHANISMS AND HIGH-AMPLITUDE TESTING This report identifies the important parameters defining the immunity level and the robustness of electronic equipment. This HALT (High Amplitude Limit Testing) methodology is suitable for achieving EMC test at increased stress levels. Poul Christiansen og Per Thåstrup Jensen, DELTA, november Medlemmer af SPM får rapporter tilsendt som led i medlemskabet. Andre kan købe rapporterne af SPM ved henvendelse til Kristine A. Ploug på tlf eller mail kap@delta.dk 2

3 Portræt af SPM ERFA 6 Pålidelighed SPM ERFA 6: Pålidelighed Af Poul Hilding Andersson, Oticon A/S Gruppen udveksler viden og erfaringer om alle former for pålidelighed af elektriske, elektromekaniske og mekaniske konstruktioner. ALLE EMNER INDENFOR PÅLIDELIGHED Gruppens emner dækker et bredt udvalg indenfor alle områder af pålidelighed både de teoretiske og mere praktiske. Udgangspunktet er medlemmernes personlige erfaringer samt virksomhedernes overordnede kvalitetspolitik, pålidelighedsprogram eller -strategi. Alle typer emner med en vinkel til pålidelighed i produkters livscyklus tages op i gruppen fra idé til udfasning herunder: DESIGN Specifikation af krav til pålidelighed herunder Mission profiling Modeller for beregning og simulering af pålidelighed Laststyrke analyser FMEA og fejltræsanalyser VERIFIKATION Statistisk forsøgsplanlægning fx Design of Experiment Accelererede levetidstests Robusthedstests PRODUKTION Kapabilitetsanalyse, Cp og Cpk Produktionsprocessors indflydelse på pålidelighed MARKFEJLSANALYSER Markfejlsstatistik Root-cause analyser Emner fra pålidelighedsingeniørens værktøjskasse er ofte på agendaen, hvor vi bl.a. præsenterer og diskuterer relevante standarder, risk management, statistiske metoder, herunder Six sigma, og ikke mindst planlægning og praktisk gennemførelse af test. Case stories er altid populære. MØDERNE Gruppen mødes 4 gange om året, så vidt muligt skiftevis øst og vest for Storebælt. Agendaen for møderne sammensættes med en passende blanding af præsentationer, rundtur i virksomheden, bordet rundt og tid til at pleje netværket. Præsentationer leveres af medlemmerne, kolleger fra de besøgte virksomheder og i enkelte tilfælde gæsteforelæsere fra DELTA eller andre virksomheder. Præsentationerne bliver fulgt op med gode diskussioner og udveksling af erfaringer. Årligt tilbagevendende punkt er gennemgang og diskussion af tutorials og papers fra de store internationale konferencer RAMS (USA) og ARS (Europa), gerne præsenteret af et medlem, som har deltaget. Disse konferencer indrammer i høj grad emneområdet for gruppen og giver god inspiration til nye emner. Eksempelvis pålidelighed af software, som er et emne, der fylder mere og mere på dagsorden blandt medlemmernes virksomheder. MEDLEMMERNE Gruppens møder er som oftest godt besøgt. Medlemmerne kommer fra et bredt udsnit af større og mindre danske virksomheder, der i større eller mindre grad har anerkendt behovet for at arbejde konstruktivt med pålidelighed som en del af forretningsstrategien. Diskussionerne foregår i et forum med stor åbenhed og høj faglig kompetence, hvor erfaringer udveksles med en god forståelse for at dele viden blandt medlemmerne uden at kompromittere virksomhedernes produkthemmeligheder. Læs mere om erfa-gruppen her spm.madebydelta.com/erfa-grupper/erfa-gruppe-6-palidelighed SPM s 12 erfa-grupper Oplysninger om hver enkelt erfa-gruppe findes på SPM s hjemmeside 5. Produktsikkerhed godkendelse 6. Pålidelighed 7. Mikroforbindelsesteknik 8. Produktionsteknik 9. EMC 10. Miljøprøvning & konstruktion 11. Planlægning og udvikling af produktionstest 13. Termisk rigtig apparatkonstruktion 16. Fejlanalyse af elektronikkomponenter 17. HALT/HASS 20. DFMA Design for Manufacturing and Assembly 21. SPM Masterclass 3

4 SCANNING ACOUSTIC MICROSCOPY USED IN FAILURE ANALYSIS OF ELECTRONIC DEVICES By Yavuz Köse, DELTA Microelectronics SAM is a non-destructive technique which is used for analysis of the homogeneity of complex devices. SAM can provide a resolution down to sub-micron thicknesses. SAM is an efficient tool for analysis of adhesion between layers and presence of possible flaws in each layer. This can be used e.g. for investigations of sealing, coating, flip-chip underfills, BGA, QFN, wafer to wafer bonding etc. In SAM, ultrasound waves propagate through liquids and solids. Whenever there is change in acoustic impedance such as at interface/boundary of internal flaws, change of material or change of density in the same material, partial reflection and transmission takes place. The amplitude, polarity and the time of flight of the reflected signal provide important information. Characteristic acoustic impedance, Z, of a material is given by Z = ρ.v Where, ρ = density of the material, and v = velocity of sound in the material. Characteristic impedance of air is several orders of magnitude lower than that of solids, and this leads to nearly 100 % reflection. This total reflection at air gaps/delamination is what makes SAM unique in interface quality investigations in all type of structures. In SAM equipment, a liquid bath couplant is used to transmit acoustic waves between transducer and the sample. Water is traditionally used as a couplant due to practical reasons. Fig. 1 illustrates the working principle of SAM. PR = (Z 2 -Z 1 ) /(Z 2 +Z 1 ) PT = 2Z 2 /(Z 2 -Z 1 ) Where P I = incident wave amplitude, P R = reflected wave amplitude and P T = transmitted wave amplitude. As it can be seen from the reflection formula, higher characteristic impedance difference means higher reflection signal amplitude. Schematic configuration of a scanning acoustic microscopy is shown in fig. 2. It consists of A piezoelectric transducer that sends pulses of acoustic waves through liquid couplant into the sample. Between pulses a receiver takes the echoes reflecting from the sample. In the C-SAM transmitter and receiver is the same piezoelectric transducer which electronically switches between two modes of pulse sending and echo receiving. A mechanical scanning unit which enables to focus the signals onto the interest area and raster scanning of the sample. A control unit or PC where the scanning and the data analyses are provided by the software system. Fig.1. Basic working principle of SAM. Delamination/air gap on the left side and good adhesion interface structures on the right are shown. Fig. 2. Schematic presentation of pulse-echo mode operated SAM instrumentation. 4

5 There are two inspection modes; pulse-echo and through-transmission modes. The reflection signal is used for pulse-echo mode imaging, while the transmitted signal is used for through-transmission mode imaging. Pulse-echo mode can determine and locate the delamination, defect and voids in bulk material and provide high spatial resolution images. On the other hand, through-transmission images have a less spatial resolution and cannot locate the defect position in bulk sample. Through-transmission mode works as a complementary tool for pulse-echo mode findings and BGA scanning. Spatial resolution in SAM increases with increasing frequency, but higher frequency means lover depth information at the same time. The tradeoff between a low and a high frequency transducer is in the depth of penetration and resolution. CASE STORIES Having described the principles of the scanning acoustic microscope we will now present some cases which are studied by SAM technique. Below are four distinct cases which demonstrate how SAM technique practically and effectively detects the failures. Due to confidential nature, limited explanation is given about sample details. Voids in underfill material in flip chip devices Company A encounters short failures in their flip chip devices mounted on PCBA. The customer believes that voids in the underfill material between the solder balls result in short circuit during the reflow process. X-ray analysis was used for investigation. X-ray detected existing short circuits, but not voids. SAM technique was used for non-destructive analysis of the devices. SAM analysis was conducted through the epoxy mold side. Due to the two-sided and populated PCBA structure, scanning through the substrate side was not effective enough. A demonstrative SAM micrograph on a virgin sample is Fig. 3. SAM micrograph of an original sample. The white rectangular texture between solder balls implies voids in underfill material. Fig. 4. SAM micrograph after removal of mold, UHF transducer is used. Fig. 5. SAM micrograph (A) of a partial delamination expected device with corresponding B-scan (cross-sectional scan), Phase Gate mode image of corresponding scan micrograph (B) is shown. 5

6 shown in fig. 3. The rectangular white texture between the solder balls in the rows shows voids. In a SAM analysis, un-curved and plane surfaces help achieve the best results by keeping the surface in focus and preventing diffraction of the signals during x-y plane scanning. In this case, the surface was rough and curved. High frequencies, such as 100 MHz and UHF (Ultra High Frequency) transducers were therefore useless. For sharp images, destructively removal of the top epoxy mold was conducted by gentle grinding. This enables high frequency transducer usage and results in much better resolution (fig. 4). By subsequent destructive analysis it was verified that all underfill voids being detected by optical inspection, after removal of the die had been detected in the SAM analysis. Delamination study in round objects Company B had an issue with one of their sub-components. The reason for this issue was attributed to delamination between epoxy encapsulation and metal deposited ceramic electrode. The device has a round structure and length of a couple of tens of millimetres, while having a circumference around 10 mm. Destructive analysis techniques, such as cross-sectioning were used successfully for detection of delamination, but customer B wanted a non-destructive analysis option. Even though SAM is conventionally used for flat-surfaced objects, usage for round objects is also gaining ground. A narrow scan line, approximately 0.5 mm wide, along the device was executed at several locations by turning the device using a 50 MHz transducer. The resulting SAM micrograph is given in fig. 5. The device in the image was expected to have partial delamination by the customer prior to SAM analysis in DELTA. As it can be seen from fig. 5, different modes of scanning possibilities were used and they showed consensus about the delaminated and the not-delaminated regions. It is important to confirm the results with a different mode of scanning in SAM. This enables the operator for correct interpretation of the results before making the final conclusion. In order to verify SAM results, dye penetrant test was used to highlight the delaminated areas and observe visually. Resulting stereomicroscope image is given in fig. 6 for partially delaminated device. The yellow line on the image shows the scan line along the device. Coating quality voids in solder mask study SAM technique is often used for coating quality studies such as for thickness measurement, intrusions of contaminants, delamination and trapped air bubbles/voids. Customer C would like to investigate the quality of the solder mask for voids, which work as moisture trap and in the long term cause moisture related corrosion failures in PCBA assemblies. In fig. 7 SAM micrograph is given with cross-sectional SEM (Scanning Electron Microscopy) image of the same sample. The SEM image was obtained after destructive cross-sectioning the sample. For the purpose of the analysis, SAM detected all voids in one scan in minutes. The alternative method used is cross-sectioning at random location, subsequent SEM inspection for voids, and then interpolating the result for the whole surface area. SAM provides this type of analysis voids in coating for transparent and opaque coatings non-destructively. Obsolete components re-tinned Company D had stored components from last time buy, but needed to re-tin the devices so they could be used in a lead-free process. Components are subsequently tested for functionality. Even though the components passed functional tests, the customer requested SAM analysis. The obtained results are given in fig. 8. CONCLUSION SAM is a non-destructive technique used in the failure analysis, and here its versatile usage for different purposes is presented. Compared to alternative methods for the same purposes, SAM is practical and less time consuming. In this article, successful SAM analyses of different subjects and failures were demonstrated for Voids in underfill material in flip chip ICs Delamination between epoxy shell and metal electrode for round objects Coating quality of solder mask for air bubbles for transparent and opaque coatings Delamination and pop-corn failures in re-tinned obsolete components ACKNOWLEDGEMENT This article is issued under the project Physics of Failure based reliable product development which is carried out by DELTA Denmark. Fig. 6. Optical micrograph of partially delamination expected device. Yellow line shows a demonstrative scan line along the device. Red area at the scan start shows the delaminated part of the interface in consensus with SAM results given in fig. 6. Fig. 7. SAM micrograph of PCBA (A), and SEM image of cross-sectional analysis of PCBA (B). SAM shows total void population in one scan in minutes. Alternatively SEM is used combined with cross-sectioning and interpolating result to the whole surface area of the PCBA. Fig. 8. SAM micrographs for three obsolete SMDs. Device top and rear side SAM micrographs are presented together. Phase gate mode is used for highlighting delaminated interfaces for easy understanding of the scan results. Rear side micrographs were provided after removal from PCBA. 6

7 BATTERILØS ELEKTRONIK Råd til at komme i gang med at realisere energy harvesting Med udbredelsen af flere og flere smarte produkter, Intenet of Things og wearable gadgets i mange afskygninger bliver behovet for skift og opladning af batteri kun større og større. Skidt for brugsoplevelsen og værre for miljøet. Derfor ser mange i retningen af batteriløse løsninger, hvor der høstes energi fra omgivelserne gennem lys, bevægelser, temperaturgradienter eller radiofrekvenser. Af Johan Pedersen, DELTA, idemolab.com SWEET-SPOT I MIKROWATT - MILLIWATT OMRÅDET Energy harvesting er særligt relevant for produkter, der har lavt energiforbrug i omegnen af 100 µw - 5 mw, da mange energy harvesting teknologier ligger i en energidensitet på 100 µw/cm som vist i fig. 1. Et standard knapcellebatteri CR2032 kan levere 1 mw i mere end 45 timer, men når man kommer ned i et forbrug på få µw, hvor knapcellebatteriet kan holde 2-4 år, så er det i mange tilfælde ikke rentabelt at benytte energy harvesting, hvis et batteri kan holde produktets levetid ud. kan vurdere, om der er potentiale for at lave sit produkt selvforsynende med energi. Ligeledes skal det vurderes, hvordan energy harvesting generatorteknologierne virker i praksis i modsætning til datablade, som opgiver peak ydelser under perfekte forhold, men som sjældent holder i den virkelige verden. Den praktiske implementering er samtidig en helt anden, hvor slutmontage har stor betydning: solcellens vinkel mod lyskilden, termogeneratorens kontakt til varmekilden, vibrationshøsterens mekaniske kobling til svingningerne mv. Dette er i stor kontrast til blot at integrere et batteri. Derfor bør funktionelle prototyper testes i det tiltænkte miljø så tidligt i processen som muligt. POWER MANAGEMENT KERNEN I ET SUCCESFULDT BATTERILØST PRODUKT Grundet naturlige ændringer i produkters omgivelser giver energy harvesting generatorteknologier sjældent stabilt 3 V, som man er vant til fra et batteri. En konverter kan behandle ned til få mv fra en termoelektrisk generator ved lave temperaturforskelle eller over 50 V ved en piezoelektrisk generator i et vibrerende miljø samtidig med, at det sikres, at generatoren holdes på sit maksimale ydelsespunkt. Fig. 1. Sammenligning af energidensitet for de forskellige energikilder i vores omgivelser. Det er tydeligt at udendørs lys ligger væsentligt over resten, og at RF kun er relevant ved ultra low power enheder. Kilde: CEA-LETI. Med solcellen udendørs som forbillede har mange store forventninger til andre teknologiers performance, som ofte dog opererer på helt andre energimæssige vilkår. Solen er vores mest energitætte kilde og kan derfor ikke matches. DE PRIMÆRE BARRIERER Barriererne, der skal overkommes for at realisere batteriløse løsninger, er flere. For en virksomhed, der har et batteridrevet produkt, kan det være svært at vurdere potentialet for energy harvesting. OMKRINGVÆRENDE MILJØ OG PRAKTISKE OMSTÆNDIGHEDER BETYDER ALT Hvor meget lys er der egentlig på væggen i kontoret eller ved maskinen i produktionshallen, ved hvilke frekvenser forekommer vibrationerne på motoren, og hvor stor en temperaturgradient er der egentlig mellem det varme vandrør og den omgivende luft. Dette er man nødt til at vide, før man SOURCING AF NYE ENERGY HARVESTING TEKNOLOGIER Nogle teknologier til høst af energi fra omgivelserne er bredt tilgængelige, hvor andre teknologier kun tilbydes af en enkelt eller få leverandører. I vurderingen af hvilke teknologier der skal erstatte batterier, er det vigtigt at evaluere leverandørrisikoen. 5 GODE RÅD Start med at evaluere, om dit produkt er indenfor 100 µw 10 mw i effektforbrug Lav grundig datalogning af energiniveau, så der er et reelt grundlag af data til at vurdere energipotentialet Lav funktionelle prototyper til tidlige tests i det konkrete miljø inkl. test af montering Power management kredsløb definerer effektiviten af energy harvesting generatoren Hav øje for energy harvesting producentens leveringsstabilitet. 7

8 SPM s bestyrelse Pålidelig produktudvikling baseret på Physics of Failure Kom og hør de nyeste resultater fra resultatkontraktprojektet Pålidelig produktudvikling baseret på Physics of Failure. Formålet med projektet er at udvikle rådgivnings- og testservices indenfor pålidelighed og robusthed. Aktiviteterne tager udgangspunkt i Physics of Failure, der populært sagt er læren om de grundlæggende fysiske årsager til, at fejl kan opstå. Konferencen bliver en årlig tilbagevendende begivenhed. Den finder sted første gang den 31. oktober 2016, kl hos DELTA, Venlighedsvej 4, 2970 Hørsholm. Projektets deltagere præsenterer resultater inden for levetidsestimering og accelererede levetidstests, nye fejlanalysemetoder og pålidelig software. Der vil endvidere være indlæg fra repræsentanter fra andre virksomheder og universiteter. Pris DKK 950,-. Det er gratis at deltage for SPMmedlemmer. Konferencen afholdes med støtte fra Uddannelsesog Forskningsministeriet Styrelsen for Forskning og Innovation. HUSK VORES ADGANG TIL cedm S HJEMMESIDE Medlemsafsnittet på cedm s hjemmeside er tilgængeligt for alle SPM-medlemmer: 1. Gå ind på spm-erfa.dk og login på SPM s medlemsafsnit. 2. Vælg links og klik på cedm s logo, som fører til et auto-login. 3. Ignorer beskeder om one-time login og opfordringer til at ændre password. Alle SPM-medlemmer har adgang via samme link og auto-login. Hans Fhær Larsen Formand Novo Nordisk A/S Lars Bo Hammer Næstformand Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement A/S Søren Valentin Stentoft Oticon A/S Per Boel Terma A/S Lars Rimestad Grundfos A/S Jørn Landkildehus Danfoss Drives A/S Ole Rindom Medicom Innovation Partner a/s Hvem er SPM SPM er en forening for elektronikvirksomheder, komponentleverandører og for de mange virksomheder, der benytter elektronik i deres produkter. Medlemmerne udgør et nordisk netværk, der udveksler erfaringer og igangsætter fælles undersøgelser. Deltagelse i SPM skaber et stærkt og vigtigt fundament for virksomhedernes bestræbelser på at være konkurrencedygtige, at sikre markedsadgang og at sikre produktsikkerheden. FORENINGENS HOVEDAKTIVITETER Erfaringsudveksling i erfa-grupper, hvor de enkelte virksomheders specialister indenfor gruppens tema mødes tre-fire gange årligt og holder hinanden ajour med den nyeste udvikling indenfor deres specialområde. Gennemførelse af SPM-projekter, hvor projekterne finansieres via kontingentet, evt. suppleret med midler fra fonde o.a. SPM-projekter gennemføres prioriteret efter medlemmernes ønsker. Forslagene formuleres i reglen direkte i erfa-grupperne, og bestyrelsen igangsætter de projekter, der skal gennemføres. Kontingentet udgør årligt DKK 8.000,- samt DKK 1.000,- pr. erfa-gruppeplads. En kontingentstruktur der sikrer, at de der har størst gavn af foreningen betaler mest. Yderligere oplysninger om foreningen findes på SPM s hjemmeside Her er desuden en oversigt over eksisterende erfa-grupper og en fortegnelse over SPM s medlemsvirksomheder samt rapporter, der er udgivet. Rapporterne sendes automatisk til kontaktpersonen hos medlemsvirksomhederne. Kontakt vores sekretariat, hvis du ønsker at vide, hvem der er kontaktperson i din virksomhed. Ekstra rapporter kan købes hos SPM s sekretariat. Reliability Management SPM Magasinet Udgives af: SPM, Reliability Management SPM s Sekretariat DELTA Dansk Elektronik, Lys & Akustik Venlighedsvej Hørsholm Tlf.: Fax: spm@delta.dk Hjemmeside: Redaktør: Christian Skytt Layout: MarKom, DELTA Tryk: Frederiksberg Bogtrykkeri A/S Oplag: 500 stk. 8