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Erschienen in: Microsystem Technologies 1/2009

01.01.2009 | Technical Paper

How to extract continuum materials properties for (lead-free) solders from tensile tests and nanoindentation experiments

verfasst von: W. H. Müller, H. Worrack, J. Sterthaus, J. Villain, J. Wilden, A. Juritza

Erschienen in: Microsystem Technologies | Ausgabe 1/2009

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Abstract

Fabrication of modern microelectronic components requires miscellaneous solder materials for joining. In order to guarantee the quality of the manufacturing process and the reliability of the resulting solder joint it is necessary to know the material properties of the joining parts and of the solder materials. In particular Young’s modulus, yield stress, and the hardness are of great interest. Moreover, a complete stress-strain curve is important for a detailed material characterization and simulation of a component, e.g., by Finite Elements (FE). The miniaturization of modern electronic products with small solder joints allows only fabrication of very small-sized specimens. Because of this miniature tests are used for measuring the mechanical properties of the solders in the experimental investigations of this paper. More specifically two miniature tests are presented and discussed, a mini-uniaxial-tension-test and a nanoindenter experiment. In the tensile test the axial loading is prescribed, the corresponding extension of the specimen length is recorded, both of which determines the stress-strain- curve directly. The stress-strain curves are then mathematically analyzed by assuming a non-linear relationship between stress and strain of the Ramberg-Osgood type and fitting the corresponding parameters to the experimental data by means of an optimization routine. For a detailed analysis of very local mechanical properties nanoindentation is used, resulting primarily in load vs. indentation-depth data. According to the procedure of Pharr and Oliver this data can be used to obtain hardness and Young’s modulus but not a complete stress-strain curve, at least not directly. In order to obtain such a stress-strain-curve, the nanoindentation experiment is combined with FE and the coefficients involved in the corresponding constitutive equation for stress and strain are obtained by means of the inverse method. Finally in this paper, the stress-strain curves from nanoindentation and tensile tests are compared for two materials, namely aluminum and steel and differences are explained in terms of the locality of the measured properties.

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Literatur
Zurück zum Zitat EWM GmbH (2005) ColdArc, der kalte Lichtbogen. Press release on the occasion of the Euroblech Fair in Hannover. 27 April 2005. Available at http://www.ewm.de EWM GmbH (2005) ColdArc, der kalte Lichtbogen. Press release on the occasion of the Euroblech Fair in Hannover. 27 April 2005. Available at http://​www.​ewm.​de
Zurück zum Zitat Fischer-Cripps AC (2002) Nanoindentation. Mechanical engineering series. Springer, New York Fischer-Cripps AC (2002) Nanoindentation. Mechanical engineering series. Springer, New York
Zurück zum Zitat Häse A (2006) Miniaturmessverfahren zur Bestimmung mechanischer Kennwerte von Lotwerkstoffen aus der Mikroelektronik. Ph.D. TU Berlin Häse A (2006) Miniaturmessverfahren zur Bestimmung mechanischer Kennwerte von Lotwerkstoffen aus der Mikroelektronik. Ph.D. TU Berlin
Zurück zum Zitat Pharr GM, Oliver WC (1992) An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J Mater Res 7(6):1564–1583CrossRef Pharr GM, Oliver WC (1992) An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J Mater Res 7(6):1564–1583CrossRef
Zurück zum Zitat Sterthaus J (2008) Parameteridentifikation an metallischen Werkstoffen basierend auf numerischen Simulationen und instrumentierter Eindringprüfung. Ph.D. TU Berlin Sterthaus J (2008) Parameteridentifikation an metallischen Werkstoffen basierend auf numerischen Simulationen und instrumentierter Eindringprüfung. Ph.D. TU Berlin
Metadaten
Titel
How to extract continuum materials properties for (lead-free) solders from tensile tests and nanoindentation experiments
verfasst von
W. H. Müller
H. Worrack
J. Sterthaus
J. Villain
J. Wilden
A. Juritza
Publikationsdatum
01.01.2009
Verlag
Springer-Verlag
Erschienen in
Microsystem Technologies / Ausgabe 1/2009
Print ISSN: 0946-7076
Elektronische ISSN: 1432-1858
DOI
https://doi.org/10.1007/s00542-008-0688-y

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