Chip과 PCB를 연결하는 솔더 연결부는 고온 환경에서 주로 사용되며 다양한 Chip과 패키지 부품의 CTE(Coefficient of thermal expansion)의 차이로 인하여 고온의 열 충격(Thermal shock) 조건에 노출되어 솔더 연결부의 균열 발생으로 인하여 전자제품에 대한 신뢰성 확보가 필요하다. 특히, 솔더 연결부(Solder joint)의 ...
Chip과 PCB를 연결하는 솔더 연결부는 고온 환경에서 주로 사용되며 다양한 Chip과 패키지 부품의 CTE(Coefficient of thermal expansion)의 차이로 인하여 고온의 열 충격(Thermal shock) 조건에 노출되어 솔더 연결부의 균열 발생으로 인하여 전자제품에 대한 신뢰성 확보가 필요하다. 특히, 솔더 연결부(Solder joint)의 열 피로에 대한 수명평가는 신뢰성 확보에 대단히 중요하다. 본 연구에서는 소형 전자제품의 열 충격에 의한 솔더 연결부의 열 피로 수명을 평가하기 위하여 실제 열 피로 사이클 시험을 수행한 부품의 단면을 관찰하였고, PCB와 연결된 위치에서 솔더 볼의 균열을 확인하였다. 또한, 실장된 Sn1.2Ag0.5Cu(SAC125) 솔더 볼의 기계적 물성치를 평가하기 위하여 나노인덴테이션 시험을 통해 솔더 볼의 기계적 물성 특성을 평가하였다. 나노인덴터의 압입 간 거리를 압입 크기의 약 7배 정도로 하였고, 국부 소성 변형에 영향이 없다고 판단될 만큼의 거리를 확보한 결과 SAC125의 탄성계수는 약 54.2GPa로 나타났다. 도면에 명시된 솔더 볼의 크기와 리플로우 공정 이후의 솔더 볼에 대한 형상 차이를 확인하기 위해 실제 솔더 볼의 단면 확인 및 크기를 측정하였다. 측정 결과 Chip과 연결된 솔더 볼의 직경과 PCB에 연결된 솔더 볼의 직경의 차이를 확인할 수 있었으며, 솔더 볼의 최대 직경과 볼 피치(Pitch)는 도면 정보와 일치함을 확인하였다. 이 정보를 이용하여 해석 모델을 구성할 수 있었다. 구조-열 연성 해석을 통해 솔더 볼의 수명을 예측하기 위해 열(thermal) 사이클 간 변화율을 확인하여 2 사이클의 경계조건으로 줄여 해석 시간을 단축시킬 수 있었다. 솔더 볼의 수명 예측을 위한 여러 가지 방법 중 크리프 특성을 고려한 Syed의 실험식과 Schuberts의 실험식을 비교하였다. 해석에서 계산된 크리프 변형률 에너지 밀도를 이용하여 각 실험식에 대입한 결과 실제 균열 등으로 파손이 발생한 700~800 사이클의 시료 수명은 Schuberts의 실험식을 적용한 686 사이클의 수명 결과가 근접한 것으로 나타났다. Syed의 실험식을 이용한 경우 약 1032 사이클로 다소 높게 나타났다. 또한, 전자 장치의 신뢰성 데이터 분석에 가장 널리 사용되는 와이블 분포를 생성하기 위하여 형상 모수(β)를 4로 가정하였을 경우 솔더 볼의 고장 확률은 약 500 사이클에서 시험제품의 20%의 고장 확률을 나타냈고, 약 2000 사이클에서는 100% 시험제품의 솔더에서 균열이 발생하여 고장이 발생할 것으로 예측되었다.
Chip과 PCB를 연결하는 솔더 연결부는 고온 환경에서 주로 사용되며 다양한 Chip과 패키지 부품의 CTE(Coefficient of thermal expansion)의 차이로 인하여 고온의 열 충격(Thermal shock) 조건에 노출되어 솔더 연결부의 균열 발생으로 인하여 전자제품에 대한 신뢰성 확보가 필요하다. 특히, 솔더 연결부(Solder joint)의 열 피로에 대한 수명평가는 신뢰성 확보에 대단히 중요하다. 본 연구에서는 소형 전자제품의 열 충격에 의한 솔더 연결부의 열 피로 수명을 평가하기 위하여 실제 열 피로 사이클 시험을 수행한 부품의 단면을 관찰하였고, PCB와 연결된 위치에서 솔더 볼의 균열을 확인하였다. 또한, 실장된 Sn1.2Ag0.5Cu(SAC125) 솔더 볼의 기계적 물성치를 평가하기 위하여 나노인덴테이션 시험을 통해 솔더 볼의 기계적 물성 특성을 평가하였다. 나노인덴터의 압입 간 거리를 압입 크기의 약 7배 정도로 하였고, 국부 소성 변형에 영향이 없다고 판단될 만큼의 거리를 확보한 결과 SAC125의 탄성계수는 약 54.2GPa로 나타났다. 도면에 명시된 솔더 볼의 크기와 리플로우 공정 이후의 솔더 볼에 대한 형상 차이를 확인하기 위해 실제 솔더 볼의 단면 확인 및 크기를 측정하였다. 측정 결과 Chip과 연결된 솔더 볼의 직경과 PCB에 연결된 솔더 볼의 직경의 차이를 확인할 수 있었으며, 솔더 볼의 최대 직경과 볼 피치(Pitch)는 도면 정보와 일치함을 확인하였다. 이 정보를 이용하여 해석 모델을 구성할 수 있었다. 구조-열 연성 해석을 통해 솔더 볼의 수명을 예측하기 위해 열(thermal) 사이클 간 변화율을 확인하여 2 사이클의 경계조건으로 줄여 해석 시간을 단축시킬 수 있었다. 솔더 볼의 수명 예측을 위한 여러 가지 방법 중 크리프 특성을 고려한 Syed의 실험식과 Schuberts의 실험식을 비교하였다. 해석에서 계산된 크리프 변형률 에너지 밀도를 이용하여 각 실험식에 대입한 결과 실제 균열 등으로 파손이 발생한 700~800 사이클의 시료 수명은 Schuberts의 실험식을 적용한 686 사이클의 수명 결과가 근접한 것으로 나타났다. Syed의 실험식을 이용한 경우 약 1032 사이클로 다소 높게 나타났다. 또한, 전자 장치의 신뢰성 데이터 분석에 가장 널리 사용되는 와이블 분포를 생성하기 위하여 형상 모수(β)를 4로 가정하였을 경우 솔더 볼의 고장 확률은 약 500 사이클에서 시험제품의 20%의 고장 확률을 나타냈고, 약 2000 사이클에서는 100% 시험제품의 솔더에서 균열이 발생하여 고장이 발생할 것으로 예측되었다.
The solder connection between the chip and the PCB is mainly used in high temperature environment and due to the difference in the coefficient of thermal expansion (CTE) of various chips and package components, the solder connection is exposed to high temperature thermal shock conditions and causes ...
The solder connection between the chip and the PCB is mainly used in high temperature environment and due to the difference in the coefficient of thermal expansion (CTE) of various chips and package components, the solder connection is exposed to high temperature thermal shock conditions and causes cracks in the solder connection. Therefore, it is necessary to secure reliability for electronic products. In particular, the life assessment of thermal fatigue of solder joints is very important for ensuring reliability. In this study, in order to evaluate the thermal fatigue life of solder joints due to thermal shock of small electronics, the cross-sections of the parts subjected to the actual thermal fatigue cycle test were observed, and the solder balls were cracked at the positions connected to the PCB. In addition, in order to evaluate the mechanical properties of the mounted Sn1.2Ag0.5Cu (SAC125) solder ball, the mechanical properties of the solder ball were evaluated through the nanoindentation test. The distance between the indentations of the nanoindenter was about 7 times the indentation size, and the elastic modulus of SAC125 was about 54.2GPa. In order to confirm the difference in the size of the solder balls and the shape of the solder balls after the reflow process, the cross-sectional view and the size of the actual solder balls were measured. As a result of the measurement, the difference between the diameter of the solder ball connected to the chip and the diameter of the solder ball connected to the PCB was confirmed, and the maximum diameter of the solder ball and pitch were consistent with the drawing information. This information could be used to construct an analytical model. The structure-thermal coupled analysis reduced the analysis time by checking the thermal cycle change rate to predict the life cycle of the solder ball and reducing it to the boundary condition of 2 cycles. Among the various methods for estimating the lifetime of solder balls, the lifetime equation of Syed and the Schuberts equation considering creep characteristics are compared. Using the creep strain energy density calculated in the analysis, the lifespan of 700 to 800 cycles, which occurred actual cracking, was close to that of 686 cycles using Schuberts' life formula. In the case of Syed's life formula, it was found to be somewhat higher at about 1032 cycles. In addition, if the shape parameter (β) is assumed to be 4 to generate the most widely used weibull distribution for analyzing the reliability data of the electronic device, the probability of failure of the solder ball shows a probability of failure of 20% of the test product at about 500 cycles. At about 2000 cycles, it was predicted that a failure would occur due to cracking in the solder of the 100% test product.
The solder connection between the chip and the PCB is mainly used in high temperature environment and due to the difference in the coefficient of thermal expansion (CTE) of various chips and package components, the solder connection is exposed to high temperature thermal shock conditions and causes cracks in the solder connection. Therefore, it is necessary to secure reliability for electronic products. In particular, the life assessment of thermal fatigue of solder joints is very important for ensuring reliability. In this study, in order to evaluate the thermal fatigue life of solder joints due to thermal shock of small electronics, the cross-sections of the parts subjected to the actual thermal fatigue cycle test were observed, and the solder balls were cracked at the positions connected to the PCB. In addition, in order to evaluate the mechanical properties of the mounted Sn1.2Ag0.5Cu (SAC125) solder ball, the mechanical properties of the solder ball were evaluated through the nanoindentation test. The distance between the indentations of the nanoindenter was about 7 times the indentation size, and the elastic modulus of SAC125 was about 54.2GPa. In order to confirm the difference in the size of the solder balls and the shape of the solder balls after the reflow process, the cross-sectional view and the size of the actual solder balls were measured. As a result of the measurement, the difference between the diameter of the solder ball connected to the chip and the diameter of the solder ball connected to the PCB was confirmed, and the maximum diameter of the solder ball and pitch were consistent with the drawing information. This information could be used to construct an analytical model. The structure-thermal coupled analysis reduced the analysis time by checking the thermal cycle change rate to predict the life cycle of the solder ball and reducing it to the boundary condition of 2 cycles. Among the various methods for estimating the lifetime of solder balls, the lifetime equation of Syed and the Schuberts equation considering creep characteristics are compared. Using the creep strain energy density calculated in the analysis, the lifespan of 700 to 800 cycles, which occurred actual cracking, was close to that of 686 cycles using Schuberts' life formula. In the case of Syed's life formula, it was found to be somewhat higher at about 1032 cycles. In addition, if the shape parameter (β) is assumed to be 4 to generate the most widely used weibull distribution for analyzing the reliability data of the electronic device, the probability of failure of the solder ball shows a probability of failure of 20% of the test product at about 500 cycles. At about 2000 cycles, it was predicted that a failure would occur due to cracking in the solder of the 100% test product.
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