Carter RalphSouthern Research Institute

Birmingham, AL

SMTA HuntsvilleMarch 24, 2016

Using Acoustic Emission to Detect Solder Joint Cracks

Team Members

Elizabeth BenedettoHP

Keith Newman and Aileen Allen Hewlett Packard Enterprise

Greg MorscherUniversity of Akron

Julie Silk Keysight Technologies

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Acknowledgements

• HP Global Lab Services for failure analysis• HP Shock Lab, David Moore, John Vijil• Keysight ‐ loan of oscilloscope• Josh Vijayam – SRI intern• Attorneys: Sue Ferst and Bill Layter

Personal IntroductionCarter Ralph• Husband and father of four boys• Mechanical Engineer at Southern Research• Mechanics experimentalist• Graduate of Auburn and Georgia Tech

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Intro to Southern Research• Established in 1941 as an independent, not-for-profit

(501-c-3) center for scientific research and development

• Headquartered in Birmingham, Alabama• Revenues of $63M in 2015• Composed of ~450 employees organized into four

divisions:‒ Engineering‒ Environment and Energy‒ Drug Discovery‒ Drug Development (pre-clinical)

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Thomas Martin, Founder

ENGINEERING (AL)

My work at Southern Research

• High temperature physical, mechanical, and thermal material characterization

• Ground testing

• Electronics testing

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Tonight’s Topic

• Using acoustic emission to detect solder joint cracks– Short history– Brief explanation of how acoustic emission detection works– The problem of pad cratering– Spherical bend project– Mechanical shock project– Conclusions

• This work has been previously presented and published in pieces at SEM, ECTC, and SMTAI.

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Key Points

• Acoustic emission detection is a non‐destructive method of damage detection that is useful for both mechanical shock and bending tests.

• It is very sensitive to pad crater initiation and agrees well with destructive failure analysis.

• It has the potential to decrease cost, decrease throughput time, and increase the sensitivity of these tests.

• This technique may be able to be extended to other tests and to fully‐populated boards.

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A Short History

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Map of how this got started

Intel experience

• Customer support for electronics assembly in factories.– Failure trouble‐shooting– Training for strain‐gage‐based testing (Board Flexure 

Initiative)• Mechanical product development

– Core 2 Duo and Atom precursor for Apple• Mechanics lab

– Lead free solder and mini dogbone characterization– Single solder joint high rate tensile test– Transient bend and mechanical shock of product 

development units– Ball pull and shear, moire interferometry, polymer 

characterization, die cracking in bending, digital image correlation, high speed optical strain, and others.

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Acoustics at SRI

• Southern Research has been using acoustic for decades for non‐destructive inspection.– Ultrasonic velocity for qualitative material inspection– Single frequency pulse echo for flaw detection– Scanning acoustics for flaw mapping– UltraSpec (broad‐band frequency transmission) for flaw detection

– High temperature modal acoustic emission detection on mechanical tests

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First application of AE to electronics

• Anurag Bansal at Cisco led study in 2011‐2012

• Four point quasi‐static bend• Conventional acoustic emission 

detection• Two transducers = event locating 

in one dimension• Study indicated that acoustic 

emission could detect solder joint cracks

• Development stopped• IPC Industry guideline published

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Cisco Image (IPC APEX 2011)

Pieces of the puzzle

Cisco study+ HP interest+ Carter’s experience+ Southern Research’s background= Development team

• First goal was to use acoustic emission detection with spherical bend test

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Explanation of Acoustic Emission Detection

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What is acoustic emission detection?

• Detects the acoustic signature of cracks• Typically used on quasi‐static loads • Multiple sensors can be used to determine the location of events

• Has been in use for decades in bridges, pressure vessels, aircraft, etc…

16Northwestern University

Fractures emit acoustic waves

1. Cracks release energy suddenly2. Some of that energy dissipates as

sound waves (transverse and longitudinal)

3. Acoustic waves propagate outward and can be detected by acoustic transducers

4. Transducers measure waveform and calculate location of event

Types of acoustic detection• Conventional acoustic emission detection records the time of each acoustic peak.  The waveform can be approximated from this data.

• Modal acoustic emission detection records the waveform, much like an oscilloscope, giving more qualitative information. – Allows for investigation into the characteristics of the wave, which can often be 

used to determine the type of fracture that initiated the event.– Waveform effective energy can be calculated by integrating the area under the 

wave.

The Problem of Pad Cratering

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Definition of Pad Cratering• Has become the dominate mechanical failure mode between BGA parts and the PCB

• Mechanical fracture between the pad/trace and the PCB • Can be in the resin or between the resin and the fiber bundle• May lead to trace separation (electrical open)• Openings within the PCB may allow metal filament growth (electrical short)

20Cisco Image (IPC‐9708)

It is difficult to detect fracture

• Electrical monitoring usually does not detect damage until it has become severe

• Strain gauges only provide a relative indication of failure risk

• Failure analysis is time‐consuming and may miss cracks

©2015 Ralph, Morscher, Benedetto, Newman, Silk, and Allen

Strain gage

Electrical lead

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The effects of pad craters

• Product fallout in ICT and functional tests• Damaged but functional products can pass inspection and fail after they leave the factory

• Field return data doesn’t get down to that detail– Failing component is replaced– Replacement can remove pad completely without being obvious

– Product is scrapped

Something better is needed• Technique that can be used on both test 

boards and product assemblies• Flexibility to use on multiple process steps

• Board handling• In‐circuit test• Functional test• System assembly• Rework• Packaging • Shipping

• Ability to assess when cracks occur in real‐time 

• Ability to identify location of cracks• Faster and less expensive technique than 

destructive failure analysis

Board Flexure Project

The spherical bend test• Spherical bend represents worst case PCA flexure

• Used by many companies to assess robustness of various materials, parts, and designs

• IPC/JEDEC‐9707 standard to develop strain‐based flexure limits 

• Pencil lead breaks (PLBs) are performed at known locations• Pre-test system check• Velocity is calculated from time of arrival delay

PLB reference test

Spherical bend test setup• Performed by Southern Research and HP in 2012‐2013• Spherical bend test with four AE transducers for 2D event locating

• Quasi‐static and quasi‐dynamic bend rates

Quasi‐static test results• Stage 1 – many low energy events• Stage 2 – fewer low energy events• Stage 3 – sudden increase in number and energy of 

events

Data analysis

• Effective energy of event (area under the curve)

• Color represents quadrant where event was located

• Can see same three stages as previous slide

Data analysis

• Map of component on board

• Transducers ‐ black circles

• Supports ‐ white circles• Events colored 

according to time of occurrence, sized according to effective energy

• We still see events after daisy chain open –unlike electrical testing

Bare Board Test Explains Low Energy Events

• Many small events around package location• Events occur inside the board structure

-0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05-0.05

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

P1P2

P3 P4

P1

AE1

AE2

AE3

AE4Y (m

)

X (m)

0.000

60.00

80.00

95.00

110.0

125.0

Damage found after tests

Dye stain correlation

• We did see a correlation between locations of failures in dye stain and high energy acoustic events

• Still not as precise as we’d like (1‐3mm), but precision is improving with data analysis

Mechanical Shock Project

Challenges of applying to shock

• Faster mechanical event could lead to overlapping acoustic events

• Potential for other emission sources: impact, fixtures, wires, etc.

• Echoes could produce additional overlapping acoustic events 

Shock Test

• Board is affixed to drop table at four corners

• Gs are measured with accelerometer on table (not on board)

• Targeting G levels and pulse width of +/‐ 10%

• Identified G targets using a set of dye stained boards prior to AE testing

Shock test setup

Accelerometer

Acoustic transducers

Oscilloscope transducers

High speed camera

Lessons from drop shock test• Everything needs to be secured to avoid superfluous events

• Affixing transducers to board is not trivial

• Separating out “events of interest” is where the real work lies

• Conservative measurement window (time) may be cutting off relevant data

AE waveform interpretation

• Classic fracture

• Impact event

Transverse wave

Longitudinal wave

Time (μsec)

Multiple acoustic events

Data analysis

• Lower energy events may also be “events of interest”

Delay time is used for screening and locating events

• Delay times longer than lead breaks are screened out since these are outside the package perimeter

Event is from Corner 1

AE detects damage initiation in shock

Multiple events

Dye stain from Corner 1

AE versus FA data

AE detected damage in 7/8 tests compared to 4/8 for dye stain

AE matched cross section in 3/3 tests

AE versus FA data

Dye stain less sensitive

Acoustic emission and cross section follow a similar trend

High speed camera clarifies events of interest

Conclusion

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Key Points• AE is useful in both transient bend and shock situations

• Can detect damage initiation without destructive failure analysis• Can discriminate between events based on energy and location

• Suggests better sensitivity compared to dye stain for identifying pad cratering

• Can identify smaller cracks• Can identify subsurface cracks

• AE can also lower cost, decrease throughput time, and increase inspection coverage

• AE has a lot of potential—a solution in search of problems

Further development potential

• Utility of the oscilloscope vs AE equipment• Routines for automating data analysis• Assessment of multi‐component boards or product level testing

• Vibration testing• Thermal cycling• Need additional corroborating analysis

Questions

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