최근에 모바일 기기의 사용이 늘어남에 따라 굽힘 응력에 대한 패키지 접합부의 신뢰성에 대한 관심이 다시 높아지고 있다. 기존의 굽힘실험은 생산공정 및 운반 등에 파손을 방지하기 위해서 수행되었으나 최근에는 모바일 기기의 이동 및 사용에 따라 발생되는 응력에 대한 저항성 평가나 드롭시험의 대용으로 수행되고 있다. 본 연구에서는 정확한 4점 굽힘 실험 방법을 도입하여 유연 솔더 조인트와 무연 솔더 조인트의 굽힘 피로 시험에 대한 저항성을 평가하고, 단면 관찰과 유한요소법을 이용한 해석을 수행하였다. 높은 하중이 작용하게 되면, 유연 솔더 조인트가 보다 긴 피로수명을 갖으며, 낮은 하중이 작용할 때는 무연 솔더 조인트가 긴 수명을 가지게 된다. 크랙은 시편의 외각에서 발생되어 안쪽으로 진행하게 되며, 소성변형이 손상의 대부분을 자치하게 된다.
최근에 모바일 기기의 사용이 늘어남에 따라 굽힘 응력에 대한 패키지 접합부의 신뢰성에 대한 관심이 다시 높아지고 있다. 기존의 굽힘실험은 생산공정 및 운반 등에 파손을 방지하기 위해서 수행되었으나 최근에는 모바일 기기의 이동 및 사용에 따라 발생되는 응력에 대한 저항성 평가나 드롭시험의 대용으로 수행되고 있다. 본 연구에서는 정확한 4점 굽힘 실험 방법을 도입하여 유연 솔더 조인트와 무연 솔더 조인트의 굽힘 피로 시험에 대한 저항성을 평가하고, 단면 관찰과 유한요소법을 이용한 해석을 수행하였다. 높은 하중이 작용하게 되면, 유연 솔더 조인트가 보다 긴 피로수명을 갖으며, 낮은 하중이 작용할 때는 무연 솔더 조인트가 긴 수명을 가지게 된다. 크랙은 시편의 외각에서 발생되어 안쪽으로 진행하게 되며, 소성변형이 손상의 대부분을 자치하게 된다.
Mobile products, such as cellular phones, PDA and notebook, are subjected to many different mechanical loads, which include bending, twisting, impact shock and vibration. In this study, a cyclic bending test of the BGA package was performed to evaluate the fatigue life. Special bending tester, which...
Mobile products, such as cellular phones, PDA and notebook, are subjected to many different mechanical loads, which include bending, twisting, impact shock and vibration. In this study, a cyclic bending test of the BGA package was performed to evaluate the fatigue life. Special bending tester, which was suitable for electronic package, was developed using an electromagnetic actuator. A nonlinear finite element model was used to simulate the mechanical bending deformation of solder joint in BGA packages. The fatigue life of lead-free (95.5Sn4.0Ag0.5Cu) solder joints was compared with that of lead-contained (63Sn37Pb). When the applied load to the specimen is small, the lead-free solder has longer fatigue life than lead-contained solder. The fatigue crack is initialized at the exterior solder joints and is propagated into the inner solder joints.
Mobile products, such as cellular phones, PDA and notebook, are subjected to many different mechanical loads, which include bending, twisting, impact shock and vibration. In this study, a cyclic bending test of the BGA package was performed to evaluate the fatigue life. Special bending tester, which was suitable for electronic package, was developed using an electromagnetic actuator. A nonlinear finite element model was used to simulate the mechanical bending deformation of solder joint in BGA packages. The fatigue life of lead-free (95.5Sn4.0Ag0.5Cu) solder joints was compared with that of lead-contained (63Sn37Pb). When the applied load to the specimen is small, the lead-free solder has longer fatigue life than lead-contained solder. The fatigue crack is initialized at the exterior solder joints and is propagated into the inner solder joints.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
솔더 조인트(solder joint)에 작용하는 응력과 변형 량은 직접 츰정이 불가능하기 때문에 유한요소법(finite element method)을 이용하여 계산하였다. 그리고 계산 결과 얻어진 변수를 실험에서 얻어진 수명과연관시켜 굽힘 하중하에서의 솔더 조인트의 수명을 예측하고자 한다. 또한 본 연구에서는 유연 솔더 (lead-contained solder)와 무연 솔더 (lead-free solder)^ 굽힘 실험을 모두 수행하여, 두 가지 솔더 재료에 대한 비교 평가도 수행하였다.
하지만, 이 두 재료는 다른 물질로 이루어져 있기 때문에 직접적인 비교는 불가능하다. 두 재료의 총비 탄성 에너지와 굽힘 피로수명과의 관계는 재료의 고유한 피로 특성으로 본 연구에서는 그 관계를 측정해 보았다. 총비탄성에너지와 굽힘 피로 수명에 대한 보다 심도 깊은 원인 분석은 앞으로 원자 단위 분석이나 전위론 관점에서 연구해 볼 대상이다.
본 연구에서는 BGA 패키지의 효과적인 굽힘 실험을 위하여 새로운 굽힘 시험기를 개발하였다. BGA 패키지는 기존의 재료시험기의 관점에서 보면, 매우 작은 크기이기 때문에 실험을 수행하는데 어려움이 있다.
제안 방법
(25N, 30N, 40N, 50N, 60N) 모든 실험은 1 Hz 의 속도로 수행 되었고, 각 하중 조건 당 3개 이상의 시 편을 실험하여 평균을 취하였다. 시 편은 위나 아래쪽 그립에 고정되지 않고, 단지 그립 위에 올려져 있게 된다.
1) 유연 솔더와 무연 솔더에 대한 굽힘 피로 실험이 다양한 하중진폭에 대해서 수행되었다. 하중진폭이 작은 경우 무연 솔더 가긴 굽힘 피로수명을 가지는 것으로 나타났고, 하중진폭이 큰 경우 유연 솔더가 보다 긴 굽힘 피로 수명을 보였다.
2) 유한요소해석을 통하여 솔더 조인트에 작용하는 응력과 변형률을 계산해보았다. 점 소성 모델을 만들어 굽힘 피로시험을 묘사해보았다.
Lai?2)이 연구에 이용한 값을 사용하였고 그 값은 Table 1에 나타내었다. 경계조건으로는 1/4 모델에 맞도록 대칭조건을 주고, 실제 실험과 동일하게 하중이 가해지도록 모델링하였다. 그러기 위하여 그립을 해석적 강체(analytical rigid body)로 묘사하고 실제 실험과 동일한 위치에서 동일한 하중을 가하도록 모델링을 하였다.
유한요소모델은 대칭성을 이용하여 1/4만을 모델링하였다. 계산 속도를 높이기 위해서 기초해석(pre-analysis)을 통해 응력 집중이 발생되는 솔더 조인트를 찾아내고, 그 솔더 조인트들만을 미세 메쉬(fine mesh)로 모델링하고 그 외의 솔더 조인트는 거 친 메 쉬 (coarse mesh)를 사용하여 모델 링하였다. 사용된 요소수(element)는 60, 656개 이고, 질점수(node)는 75, 343개가 사용되었다.
경계조건으로는 1/4 모델에 맞도록 대칭조건을 주고, 실제 실험과 동일하게 하중이 가해지도록 모델링하였다. 그러기 위하여 그립을 해석적 강체(analytical rigid body)로 묘사하고 실제 실험과 동일한 위치에서 동일한 하중을 가하도록 모델링을 하였다. Fig.
635 mm이고, 데 이지 체 인을 구성 하였다. 그리고 스트레 인 게 이지 (strain gage)를부착할 위치에 미리 정렬 표식 (alignment mark)를만들어 정확하게 스트레 인게 이지를 장착하도록 하였다. 이와 같이 설계된 PCB와 PBGA 패키지는리플로어 머신(reflow machine)을 이용하여 질소 분위기에서 접합되었다.
그리고 계산 결과 얻어진 변수를 실험에서 얻어진 수명과연관시켜 굽힘 하중하에서의 솔더 조인트의 수명을 예측하고자 한다. 또한 본 연구에서는 유연 솔더 (lead-contained solder)와 무연 솔더 (lead-free solder)^ 굽힘 실험을 모두 수행하여, 두 가지 솔더 재료에 대한 비교 평가도 수행하였다.
본 연구에서는 4점 굽힘 시험법으로 한쪽 면에 하나의 패키지를 부착하여 실험을 수행하였다. 이렇게 함으로써, 패키지에 가해지는 하중을 정확히 조절할 수 있으며 해석이 용이하게 된다.
새로 개발된 시험기의 작동 확인과 얼라이먼트 (alignment)를 확인하기 위해 스트레인게이지를 PCB 양면에 부착하여 신호를 비교해 보았다. Fig.
소성 에너지 밀도와 크리 프에 너지 밀도(creep eneigy density)를 합친 총 비탄성에너지 밀도(total inelastic energy density)를 계산하고, 총 비탄성에너지 밀도의 사이클에 따른 증가를 계산하여 굽힘 피로 수명과 비교해보면 Fig. 20과 같이 나타낼 수 있다. 에너지밀도를 계산할 때에는 식(1)를 이용하였다.
실험 조건은 하중진폭을 25N에서 60N까지 변화 시 키 면서 하중 제어 실험 (load control test)을 수행 하였다. (25N, 30N, 40N, 50N, 60N) 모든 실험은 1 Hz 의 속도로 수행 되었고, 각 하중 조건 당 3개 이상의 시 편을 실험하여 평균을 취하였다.
점 소성 모델을 만들어 굽힘 피로시험을 묘사해보았다. 최외각 모서리 솔더 조인트에서 가장 큰 응력과 변형률이 작용하는 것으로 나타났다.
파손이 발생한 시편의 단면 관찰을 통해 피로 파손 위치와 피로 파손 양상을 관찰하였다. Fig.
패키지 주변에서 균일한 하중이 작용하도록, 간단한 유한요소해석을 수행하여 , PCB 크기와 위 아래 그립의 간격을 결정하였다. 해석 결과 얻어진 값으로 설계된 PCB의 크기는 폭 81 mm, 길이 175 mm이고, 내측 지지 점의 간격(inner span)은 100 mm, 외측 지지 점의 간격(outer span)은 135 mm°l 다.
대상 데이터
해석 결과 얻어진 값으로 설계된 PCB의 크기는 폭 81 mm, 길이 175 mm이고, 내측 지지 점의 간격(inner span)은 100 mm, 외측 지지 점의 간격(outer span)은 135 mm°l 다. 1 mm 두께의 PCB를 사용하였으며, 패드 직경 (pad diameter)는 0.635 mm이고, 데 이지 체 인을 구성 하였다. 그리고 스트레 인 게 이지 (strain gage)를부착할 위치에 미리 정렬 표식 (alignment mark)를만들어 정확하게 스트레 인게 이지를 장착하도록 하였다.
사용된 물성치는 박태상2), B. Z. Hong”), J. Lai?2)이 연구에 이용한 값을 사용하였고 그 값은 Table 1에 나타내었다. 경계조건으로는 1/4 모델에 맞도록 대칭조건을 주고, 실제 실험과 동일하게 하중이 가해지도록 모델링하였다.
사용된 시편은 미국의 TopLine사에서 제공하는더 미(dummy) 패키지로 256개의 솔더 조인트를 가진 BGA256T1.27-DC200 모델이다. 이 PBGA 패키지는 27x27x0.
계산 속도를 높이기 위해서 기초해석(pre-analysis)을 통해 응력 집중이 발생되는 솔더 조인트를 찾아내고, 그 솔더 조인트들만을 미세 메쉬(fine mesh)로 모델링하고 그 외의 솔더 조인트는 거 친 메 쉬 (coarse mesh)를 사용하여 모델 링하였다. 사용된 요소수(element)는 60, 656개 이고, 질점수(node)는 75, 343개가 사용되었다.
27 mm이다. 실험에 사용된 패키지의 솔더볼 조성은 63Sn37Pb와 95.5Sn4.0Ag0.5Cu이다.
그립의 간격을 결정하였다. 해석 결과 얻어진 값으로 설계된 PCB의 크기는 폭 81 mm, 길이 175 mm이고, 내측 지지 점의 간격(inner span)은 100 mm, 외측 지지 점의 간격(outer span)은 135 mm°l 다. 1 mm 두께의 PCB를 사용하였으며, 패드 직경 (pad diameter)는 0.
이론/모형
이렇게 함으로써, 패키지에 가해지는 하중을 정확히 조절할 수 있으며 해석이 용이하게 된다. 솔더 조인트(solder joint)에 작용하는 응력과 변형 량은 직접 츰정이 불가능하기 때문에 유한요소법(finite element method)을 이용하여 계산하였다. 그리고 계산 결과 얻어진 변수를 실험에서 얻어진 수명과연관시켜 굽힘 하중하에서의 솔더 조인트의 수명을 예측하고자 한다.
성능/효과
최외각 모서리 솔더 조인트에서 가장 큰 응력과 변형률이 작용하는 것으로 나타났다. 로그로그스케 일 에서 사이클 당 비탄성에너지 방출과 피로 수명은 선형관계를 갖는 것으로 밝혀졌으며, 사이클 당 비탄성 에너지 방출률이 좋은 파손변수로 사용될 수 있음을 알아냈다.
점 소성 모델을 만들어 굽힘 피로시험을 묘사해보았다. 최외각 모서리 솔더 조인트에서 가장 큰 응력과 변형률이 작용하는 것으로 나타났다. 로그로그스케 일 에서 사이클 당 비탄성에너지 방출과 피로 수명은 선형관계를 갖는 것으로 밝혀졌으며, 사이클 당 비탄성 에너지 방출률이 좋은 파손변수로 사용될 수 있음을 알아냈다.
하중진폭이 작은 경우 무연 솔더 가긴 굽힘 피로수명을 가지는 것으로 나타났고, 하중진폭이 큰 경우 유연 솔더가 보다 긴 굽힘 피로 수명을 보였다.
후속연구
15가 보다 유용하게 사용될 것이다. 비탄성 에너지 방출률을 이용한 수명 예측은 패키지의 종류가 변화한다거나 구속 조건가 바뀌는 경우에 유용하게 사용할 수 있을 것이다.
두 재료의 총비 탄성 에너지와 굽힘 피로수명과의 관계는 재료의 고유한 피로 특성으로 본 연구에서는 그 관계를 측정해 보았다. 총비탄성에너지와 굽힘 피로 수명에 대한 보다 심도 깊은 원인 분석은 앞으로 원자 단위 분석이나 전위론 관점에서 연구해 볼 대상이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.