The ball grid array (BGA) package is a second level package, which is attached to a printed circuit board (PCB) through solder bumps to form a final second level assembly. There is an increased thermal fatigue problem with this type of attachment because the module is soldered directly to the PCB.
For an accurate measurement of the material behavior of BGA solder joints, a micro-mechanical test apparatus was developed for experimental approaches on the reliability evaluation of electronic packaging. The displacement on the specimen can be feedback controlled with the resolution of 50nm by a personal computer and data acquisition system. In order to measure the strain of a small structure, an optical experimental technique was proposed. The test method uses a dual field of view microscope and the pattern matching algorithm. The dual field of view microscope can separately magnify the images of two adjacent regions to enhance the measurement resolution. The magnified views of the dual field of view microscope are captured by CCD cameras and the relative deformation is measured by tracing patterns in the images. Using this experimental technique, the deformation of solder joints was successfully measured.
To give a proper and accurate estimation of the fatigue life of Ball Grid Array solder joints, a mechanical fatigue test method under mixed-mode loading was proposed. Experiments were conducted with SnPb and SnAg/0.75Cu solder joints in room temperature. The isothermal mechanical low cycle fatigue tests were performed under several loading angles. It is found that the normal deformation affects significantly on the fatigue life of the solder joint. Morrow energy model was examined and found to be a proper low cycle fatigue model for solder joints under mixed mode loading condition.
Low cycle isothermal mechanical fatigue tests of SnAgCu and SnPb solder joints were carried out in several temperature levels. The mechanical fatigue and creep-fatigue tests were performed under conditions of shear loading at the temperature of 25℃, 70℃, and 100℃. The low cycle fatigue behavior of these solder alloys was found to be strongly dependents on test temperature. The SnAgCu lead free solder alloy showed the temperature dependency in fatigue life.
Several cyclic tests of the SnAgCu were carried out under force control, displacement control and monotonic creep. In the application of electronic packaging, solder joints are usually subjected to small displacement cyclic loading because of the geometric boundary condition. In the small deformation, the primary creep plays an important role to the creep behavior of solder joint. In this study, elasto-plastic model and a primary and secondary creep model were used to predict the cyclic behavior during cyclic displacement loading conditions.
전자 패키지가 경박 단소화 됨에 따른 BGA 소더 조인트의 사용 증가와 환경 규제의 영향으로 인하여 무연 소더에 대한 요구가 급박하게 대두됨에 따라 무연 BGA 소더 조인트의 신뢰성 평가에 대한 체계적인 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 BGA 구조를 갖는 무연 소더의 신뢰성 평가를 위해, 실제 BGA 소더 조인트 시편을 대상으로 하여, 등온 피로 실험 및 탄소성 크리프 물성 측정을 위한 실험 방법들을 제안하고 유한요소 해석과 연계하여 소더 조인트의 신뢰성을 평가하기 위한 체계를 수립하고자 하였다. 이를 위하여 소더 조인트의 피로 실험 및 크리프 실험을 위한 정밀 하중 변위 제어 시험기를 제작하고 변형률 측정 장비를 개발하여 보정하였다. 개발된 시험기를 사용하여, Eutectic SnPb, SnAgCu를 대상으로 복합하중하에서의 피로 실험을 수행하고 상온에서 복합하중에 따른 피로 수명을 평가하였다. 또한 무연 소더의 피로 특성을 평가하기 위하여 Sn3.5Ag, Sn3.5Ag0.75Cu, Sn3.5Ag1.5Cu, Sn3.5Ag2.5Bi, Sn3.5Ag7.5Bi, Sn0.7Cu의 조성을 갖는 소더 조인트의 전단 피로 실험을 통하여 각 무연 소더들의 피로 수명을 비교 평가 하였다. 아울러 각 무연 소더들의 Ni/Au UBM과 Cu UBM사이의 소더 조인트의 피로 실험을 비교하여 UBM과 무연 소더 사이의 계면 반응에 따른 신뢰성을 검토하였다. 여러 온도 조건에서 열피로 하중을 받는 소더 조인트의 신뢰성 평가를 위하여, 고온 저주기 피로 실험 및 크리프-피로 실험을 수행하고, 수명 예측을 위한 손상 인자를 검토하였다. 아울러 전자 패키지의 소더 조인트의 신뢰성을 평가하기 위해서는, 손상 인자 및 변형 거동을 정확히 모사하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 실제 소더 조인트를 대상으로 유한요소 해석 등에 사용될 수 있는 실제적인 물성인 탄소성 및 크리프 물성을 평가하기 위한 실험 방법을 제안하고 SnAgCu 소더 재료의 물성을 얻었다.
