The electronic packages were exposed to the various loading condition. The thermal, bending and impact loads cause electronic devices to fail. Assessment of resistance against the various loads is required to predict the life of an electronic package. Several methods have been used to evaluate reliability and other advanced methods have been proposed. In this paper, new methodologies are developed to overcome some drawbacks of convenience testing methods. To substitute the conventional thermal cycling test, pseudo-power cycling tester were proposed. And novel concept was introduced to replace the drop tests.
The thermal fatigue characteristics of solder joints are studied using the pseudo-power cycling tester. Effects of thermal load amplitude, high temperature holding time and mean temperature are inspected. And the bending fatigue performance and impact-fatigue properties are evaluated through a newly developed test apparatuses. The impact fatigue resistance is evaluated according to load amplitudes, loading angles and aging times.
The crack initiation location and the crack propagation direction are observed. Those are verified by finite element analysis. The damage by the creep is compared with that by the plastic deformation. From the failure mechanism analysis and the fatigue life evaluation, the life prediction models are proposed for lead-free solder joint.
In the study, I find that the solder which exhibits a good reliability can be reversed depending on the load conditions. The strain energy dissipation is a good damage parameter within the same failure mechanism. However the failure mechanisms were changed due to the different loading condition, the required strain energy to cause the failure is changed.
본 연구는 솔더접합부의 수명예측을 위한 실험 방법론과 수명예측식 개발에 대해서 수행되었다. 시간과 비용상 모든 패키지에 대해서 실제 사용 조건으로 실험을 하는 것은 불가능하다. 따라서 가속시험과 유한요소해석을 통해서 빠른 시간과 적은 비용으로 신뢰성 평가하는 방법에 대해서 많은 연구가 수행되고 있다. 본 연구에서는 열피로 시험과 충격피로 시험에 대해서 가속 시험방법을 제시하였다. 그리고 시험 결과를 유한요소해석 결과와의 연관 관계를 찾아내고 그를 이용하여 수명예측모델을 제시하였다. 이로써, 앞으로 다른 연구자들은 유한요소해석 결과를 이용하여 수명을 예측할 수 있을 것이라고 기대된다.
열피로 시험을 가속하여 하기 위해서 유사파워사이클링 기법을 이용하였다. 열대류를 이용하여 열을 전달하는 기존의 열챔버의 단점을 보완하는 유사파워사이클링시험기는 히팅블록과 냉각수를 이용하여 빠르게 온도를 높이고 냉각시키면서 짧은 시간내에 열피로 시험을 마칠 수가 있게 하였다. 유사파워사이클링 시험기를 이용하여, 온도의 범위, 고온유지시간, 그리고 평균온도를 바꾸어 가면서 시험을 수행하였다.
먼저 유연솔더와 무연솔더의 열피로 특성을 비교하면, 유연솔더가 큰 열하중이 작용할 때는 무연솔더보다 긴 수명을 가지게 된다. 하지만 대부분 실사용 환경에서는 무연솔더가 열하중에 대해서 좋은 피로특성을 보이게 된다. 열피로 시험중의 고온유지시간은 열피로수명에 커다란 영향을 주지 못한다. 고온유지시간에 따라 증가되는 변형률에너지의 양은 미미하기 때문이다. 따라서 고온유지시간을 높게 유지할 필요가 없다. 반면에 열피로시험의 평균온도는 열피로수명에 커다란 영향을 미친다. 상승된 평균온도는 열피로 수명의 감소를 가져오게 된다.
굽힘 하중에 대한 피로수명 평가를 하기 위해서 전자부품 시험에 적합한 소용량의 굽힘시험기를 개발하였다. 기존의 유압시험기에 비해서 가격이 저렴하고, 빠른 주기 시험에 유용하도록 전자기 코일을 이용하여 제작되었다. 개발된 시험기를 이용하여 4점 굽힘 시험을 수행하였고, 그 결과를 열피로 시험과 비교하였다. 유연솔더와 무연솔더의 굽힘하중에 대한 피로저항을 비교해 보면, 열피로 실험의 결과와 유사한 경향을 보이는 것을 관찰하였다. 큰 하중이 작용할 때에는 유연솔더가 피로저항성이 좋았으며, 작은 하중 범위에서는 무연솔더의 피로저항이 더 켰다.
열피로 시험과 반복굽힘시험을 동일한 시편에 대해서 수행한 후, 파손분석을 통하여 하중 조건에 따른 균열의 발생 지점을 확인하고 균열 진전 방향을 관찰하였다. 그리고 유한요소법을 이용하여 열피로 시험과 반복굽힘시험을 모델링하고 해석하였다. 그 결과를 파손분석결과와 비교확인해 보았고, 하중조건에 따른 패키지의 변형을 관찰하였다. 또한 하중 조건에 따른 소성변형과 크리프 변형에 대해서 관찰해보고, 소성변형과 크리프 변형이 주는 손상을 평가하였다. 그리고 이를 이용하여 수명예측 모델을 개발하였다.
열하중이 가해지는 경우에는 균열은 패키지의 가장 안쪽 솔더에서 발생하여 외부로 진행하게 된다. 이 때 솔더 접합부가 회전을 하기 때문에 균열은 대칭되는 두 지점에서 발생하게 된다. 그리고 열하중에 의한 변형률에너지는 솔더접합부 전체에서 축적된다. 반면에 굽힘하중이 가해지는 경우에는 균열은 최외각 솔더 접합부에서 발생하여 내부로 진행하게 된다. 이는 PCB가 변형하게 되어 솔더 접합부를 당기는 하중을 가해주기 때문이다. 따라서 균열은 PCB기판쪽에서만 발생하게 되고, 변형률에너지의 방출은 최외각 솔더의 PCB 경계부분에 집중되게 된다. 열하중이 가해질 때는 크리프에 의한 변형률에너지의 방출이 크며, 반대로 굽힘하중이 가해질 때는 소성에 의한 변형률에너지가 지배적이게 된다.
기존의 낙하충격시험을 개선하기 위해 미소충격피로시험기를 개발하였다. 낙하시험기를 이용하여 시험할 경우, 시간이 오래 걸리며, 정확한 시험이 불가능하며, 패키지마다 일일이 수행해야 하는 단점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해서 전자기 코일을 이용한 구동기를 사용하여 낙하충격이 가해질 때 발생하는 충격하중을 유사하게 묘사할 수 있는 시험기를 개발하였다. 개발된 시험기는 충격하중의 크기는 물론, 펄스의 지속시간도 바꾸어 줄 수 있게 제작되었다. 미소충격피로시험기를 이용하여 충격하중의 크기와 충격하중의 방향을 바꾸어 주면서 실험을 수행하였다. 그리고 열시효를 주어서 열시효가 충격피로수명에 미치는 영향을 관찰하였다. 또한 사용된 솔더의 Ag의 양을 변화시키면서 충격피로시험을 수행하여 Ag의 양이 충격피로시험에 미치는 영향을 평가해보았다.
충격시험 결과를 살려보면 두 개의 파괴모드로 파손이 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 첫번째는 계면파괴로 Ni(P)층과 금속간화합물 사이에서 균열이 진행하여 파손되는 것으로 수명이 짧아지게 된다. 두번째는 계면파괴와 벌크파괴가 동시에 발생하는 혼합모드파괴이다. 각각의 파괴모드에 따른 균열형상을 광학현미경과 전자주사현미경으로 관찰하고 EDX를 이용하여 조성분석을 하였다. 이를 통해 혼합모드파괴에서는 벌크 솔더와 금속간화합물층에서 균열이 발생하고 성장하다 유효단면적이 줄어들게 되면 계면파괴가 일어난다는 사실을 확인하였다. 혼합모드파괴는 로그-로그 그래프에서 선형적으로 묘사될 수 있는데, 이는 균열이 발생하고 성장함에 따라 유효단면적이 줄어들어, 작용되는 응력이 Ni(P)층의 계면파괴응력에 도달하는데 소용되는 사이클이라고 볼 수 있다.
충격하중의 방향이 인장에서 전단하중으로 변화해감에 따라 수명이 감소하는 현상이 나타났다. 이는 전단하중이 작용하면서 솔더 접합부가 회전하게 되어 접합부의 끝부분에 박리응력이 집중되면서 나타나는 현상으로 유한요소법을 이용하여 응력집중현상을 정량 평가하였다. 하지만 응력으로 손상변수를 잡아줄 경우, 수직응력이 주요할 때만 유효하며, 전단응력이 커지면 더 이상 적합하지 않게 된다. 이를 보완하기 위해 소성변형에너지를 구하였다. 안정화된 후, 사이클당 소성변형으로부터 소성변형에너지를 구하였으며, 이를 손상변수로 사용하면 수직응력이나 전단응력에 상관없이 유효함을 밝혀내었다.
전자부품은 사용에 따라 열시효를 받게 된다. 이를 평가하기 위해 125℃에서 100시간~1500시간까지 열시효를 가해주었다. 열시효가 가해짐에 따라 충격피로수명이 증가하게 된다. 증가되는 양은 충격피로저항이 선형적으로 증가되는 것으로 잘 묘사할 수 있다.
다양한 하중조건에서 실험한 결과를 하나의 그래프로 나타내면 다음의 그림6.1과 같게 된다 여기에서 박태상의 연구결과도 포함시켜놓았다. 박태상은 본 연구에서 사용한 것과 동일한 솔더와 PCB를 사용하여 등온조건에서 기계적피로 실험을 수행하여 직접적인 비교가 가능하다. 기계적인 실험이나 반복굽힘실험으로부터 얻은 결과는 하나의 직선에 가깝게 된다.
같은 변형률에너지 방출이 일어나더라도 가해지는 하중에 따라 그 수명은 크게 변화하게 된다. 기계적인 하중이 가해지는 경우 수명이 가장 길며, 열하중이 가해지면 수명이 줄어들게 되고, 충격하중이 가해지면 더더욱 수명이 줄어들게 된다. 기계적 하중과 열하중은 파손을 일으키는 주요 변형 메커니즘이 소성과 크리프로 다르고, 열하중이 가해질 때는 온도가 상승하여 피로저항을 감소시키기 때문에 이러한 차이가 발생시키게 된다. 그리고 충격하중이 가해질 때의 수명은 균열이 성장하여 계면파괴가 일어날 때까지 균열이 성장하는 수명을 나타내기 때문에 더욱 짧게 나타나게 된다. 이렇듯이 가해지는 하중에 따라 변형을 발생시키는 메커니즘이 변화하고 균열이 발생되는 위치가 변화하게 되기 때문에 각 하중 조건에 따라 다른 수명모델을 적용해야 한다.
본 연구를 통해 열하중과 충격하중에 대한 새로운 가속시험 방법이 개발되었으며, 시험 결과와 유한요소해석결과와의 관계를 밝혔다. 그리고 각 하중 조건에 따라 수명 예측 모델을 제시하여 앞으로 유한요소해석만을 통해 수명을 예측할 수 있도록 하였다. 이를 통해 앞으로 패키지 신뢰성 설계에 있어서 보다 적은 시간과 노력으로 제품을 개발할 수 있을 것이다.
