Peralihan dari teknologi solder berbasis timbal (Pb) ke solder bebas timbal menjadi perbincangan utama dalam industri mikroelektronik global. Namun, untuk sektor aerospace yang menuntut keandalan ekstrem, keputusan ini jauh dari sederhana. Artikel "A Physics-of-Failure Investigation of Flip Chip Reliability Based on Lead-Free Solder Fatigue Modeling" oleh Sean Brinlee dan Scott Popelar menyelami tantangan ini dari sudut pandang Physics-of-Failure (PoF). Studi ini berfokus pada bagaimana memprediksi kegagalan kelelahan solder flip chip menggunakan pemodelan elemen hingga (Finite Element Modeling/FEM), dengan membandingkan antara solder eutektik Sn/Pb dan solder bebas timbal.
Perubahan Standar MIL-PRF-38535 dan Implikasinya
Revisi M dari MIL-PRF-38535, yang dirilis pada November 2022, memperbolehkan penggunaan solder bebas timbal dan substrat organik dalam paket flip chip yang terdaftar dalam Qualified Manufacturer Listing (QML) milik Defense Logistics Agency (DLA). Ini merupakan langkah besar dalam membuka jalan bagi bahan ramah lingkungan di lingkungan dengan standar tinggi seperti aerospace. Namun, ini juga memunculkan pertanyaan serius soal keandalan jangka panjang, karena solder bebas timbal diketahui lebih rentan terhadap kegagalan akibat kelelahan termal.
Metodologi: Dari Finite Element hingga Derating
Artikel ini memperkenalkan pendekatan kuantitatif berbasis PoF yang terdiri dari tiga tahapan utama:
- Model Fatigue Solder Sn/Pb dan Lead-Free
Dalam penelitian ini, penulis membangun model korelasi antara energi regangan creep (Wcr) dan umur kelelahan (Nf) untuk dua jenis solder, yaitu Sn/Pb (timbal) dan solder bebas timbal (lead-free), dengan mengacu pada data eksperimen sebelumnya serta simulasi menggunakan metode elemen hingga (Finite Element Modeling/FEM). Untuk solder Sn/Pb, diperoleh persamaan empiris Wcr = 523 Nf−0.479, dengan koefisien determinasi R² = 0,9833, yang menunjukkan tingkat kesesuaian model yang sangat tinggi. Sementara itu, untuk solder bebas timbal, model yang dikembangkan adalah Wcr = 5957 Nf−0.888, dengan R² = 0,9769, juga menunjukkan kualitas prediksi yang sangat baik. Korelasi ini menjadi dasar penting dalam memprediksi masa pakai solder berdasarkan akumulasi energi regangan akibat creep pada sambungan flip chip. - Studi Derating
Karena pengujian dilakukan dalam kondisi termal ekstrem (misal: siklus 0–100 °C), hasil fatigue diubah ke kondisi penggunaan nyata (50 °C atau kurang) menggunakan Modified Coffin-Manson Equation.- Untuk Sn/Pb digunakan pendekatan Norris-Landzberg.
- Untuk lead-free digunakan pendekatan Pan et al.
- Studi Parametrik
Artikel juga menyelidiki dampak dari:- Ukuran die (10 mm vs 20 mm)
- Material substrat (keramik vs organik)
- Modulus elastisitas dan CTE substrat
- Efek underfill
Hasil Kunci & Studi Kasus
🔍 Studi Kasus 1: Efek Material Substrat terhadap Umur Fatigue
Penulis menguji 12 konfigurasi dengan variasi solder, substrat, dan ukuran die. Simulasi menunjukkan bahwa:
- Solder eutektik Sn/Pb memiliki umur fatigue 10× lebih tinggi dibanding solder bebas timbal, khususnya pada substrat keramik.
- Untuk solder bebas timbal, perubahan CTE dan modulus substrat hampir tidak berdampak signifikan terhadap umur fatigue.
- Umur optimal solder Sn/Pb ditemukan ketika:
- CTE substrat ≈ 5 ppm/°C (substrat keramik)
- CTE substrat ≈ 22–32 ppm/°C (substrat organik, tergantung ukuran die)
- Modulus substrat ≈ 60 GPa
📈 Contoh numerik (grafik dalam artikel):
- Prediksi umur fatigue Sn/Pb pada substrat keramik: hingga 10⁶ siklus.
- Prediksi umur fatigue lead-free: sekitar 10⁵ siklus (tergantung parameter lokal seperti underfill).
🔍 Studi Kasus 2: Efek Ukuran Die
Meski logika umum menyatakan bahwa semakin besar die → semakin buruk keandalan, hasil menunjukkan die lebih besar justru bisa meningkatkan umur fatigue pada kondisi tertentu, karena pengaruh reduksi energi lentur. Namun, efek ini bukan dominan, karena kegagalan mungkin lebih dipicu oleh delaminasi underfill pada die besar.
Kritik & Opini: Kekuatan dan Kelemahan Penelitian
Kelebihan:
- Menggabungkan data eksperimen nyata dan simulasi FEM dengan korelasi statistik kuat (R² > 0.97).
- Relevan dengan perubahan kebijakan global terkait RoHS dan keberlanjutan.
- Pendekatan derating sangat membantu untuk estimasi keandalan jangka panjang.
Kekurangan:
- Belum menyertakan validasi eksperimental lanjutan untuk model lead-free yang dikembangkan.
- Efek kompleks dari underfill material properties dan interaksi multi-faktor belum dijabarkan sepenuhnya.
- Tidak ada pembahasan mendalam mengenai cost vs reliability trade-off, yang penting dalam keputusan produksi nyata.
Relevansi Industri dan Tren Global
Dengan meningkatnya dorongan global untuk mengurangi bahan beracun seperti timbal dalam elektronik (misalnya melalui RoHS di Uni Eropa), makalah ini sangat penting sebagai jembatan antara kebijakan lingkungan dan standar keandalan ekstrem seperti yang berlaku di dunia aerospace dan pertahanan.
Tren integrasi chip yang lebih padat dan penggunaan substrat organik di sistem satelit mini, drone, dan sistem militer lainnya semakin memperbesar kebutuhan akan pemodelan keandalan yang akurat seperti ini.
Kesimpulan: Mengapa Ini Penting
Artikel ini memperlihatkan bahwa keandalan flip chip solder bebas timbal bisa didekati secara ilmiah melalui model PoF yang kuat dan simulasi FEM. Meski masih ada jarak keandalan dengan solder timbal, penggunaan metode derating dan desain parametrik bisa menjadi solusi untuk menjembatani kesenjangan tersebut—membuka pintu bagi teknologi yang lebih hijau namun tetap tahan banting.
Sumber Artikel : Brinlee, S., & Popelar, S. (2023). A Physics-of-Failure Investigation of Flip Chip Reliability Based on Lead-Free Solder Fatigue Modeling. Journal of Microelectronics and Electronic Packaging, Vol. 20, No. 1.