Structural optimization of electronic packages using DOE

• Main Author: Johansson, Robin
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Hållfasthetslära 2020
• Subjects: Design of experiments; DOE; Structural optimization; Electronic packages; Försöksplanering; Strukturoptimering; Applied Mechanics; Teknisk mekanik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-285859

The reliability of a mechanical system containing electronic packages is highly affectedby the environment the system is stationed in. The difference and fluctuationsbetween the ambient temperature and the operating temperature of the electronicpackage cause accumulation of inelastic strains in the package components thusdecreasing the service life. The most common failure modes of an electronic packagehas been identified from inspection of malfunctioning machines as cracks in the solderjoint and delamination between the glue and the die. Knowledge regarding therelationships between parameters affecting these failure modes, which are importantand which are not, is of high interest when developing new and existing products. SAAB AB would like to develop a methodology using design exploration to allow forevaluation of electronic packages using nonlinear finite element methods. A surrogate model was created and parameterized with HyperMorph to be used forthree linear static variations of design of experiments, where both the performance ofthe methods themselves and the relative importance of the parameters were ofinterest. A connectivity condition was also implemented to allow for relativemovement between components while keeping the mesh intact. The designexploration was executed using a Taguchi design, a Modified extensive latticesequence design and a fractional factorial design where the three methods werecompared as well as the parameter significance analysed. An optimization was thenperformed to find the optimal parameter settings within the allowed bounds to beused where a nominal model and an optimized model are evaluated with animplemented creep law. The fatigue life of the two models were then estimated. === Tillförlitligheten hos ett mekaniskt system med elektroniska kretsar påverkas starkt av miljön systemet används i. Skillnader och fluktuationer mellan omgivningens temperatur och arbetstemperaturen för de elektroniska kretsarna orsakar ackumulering av inelastiska töjningar, därmed förkortas det mekaniska systemets livstid. Dem vanligaste fel-moderna för en elektronisk krets har identifierats genom inspektion av felande maskiner som sprickbildning i lödfogarna och delaminering mellan processorn och dess lim. Kunskap hur förhållandet mellan parametrar som påverkar dessa fel-moder, vilka som är viktiga och vilka som inte är viktiga är av högt intresse vid utveckling av nya och redan existerande produkter. SAAB AB vill utveckla en metodik som utnyttjar statistisk försöksplanering för analyserande av elektroniska kretsar med hjälp av olinjära finita element metoder för att kunna spegla dess beteende på ett realistiskt sätt. En surrogatmodell skapades och parametriserades med hjälp av HyperMorph för att användas inom tre statiskt linjära varianter av statistisk försöksplanering, där både metodens prestanda och den relativa påverkan från parametrarna var av intresse. Ett kontaktvillkor implementerades för att tillåta relativ rörelse mellan komponenter samtidigt som nätet av finita element hölls intakt. Försöksplaneringsimuleringar utfördes med en Taguchi design, en Modified extensive lattice sequence design och en fractional factorial design, där de tre metoderna jämfördes mot varandra samt analyserades vad gäller respektive parametersignifikansen. Med optimering fanns sedan en optimal modell för att kunna jämföras med en nominell modell där en kryplag implementerades i lödfogen. Livslängden beräknades sedan för båda modeller.