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BGA 형태 솔더 접합부의 피로 수명 예측에 관한 연구
Study on the Prediction of Fatigue Life of BGA Typed Solder Joints 원문보기

한국공작기계학회논문집 = Transactions of the Korean society of machine tool engineers, v.17 no.1, 2008년, pp.137 - 143  

김성걸 (서울산업대학교 기계설계자동화공학부) ,  김주영 (서울산업대학교 에너지 환경 대학원 나노 아이티 공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Thermal fatigue life prediction for solder joints becomes the most critical issue in present microelectronic packaging industry. And lead-free solder is quickly becoming a reality in electronic manufacturing fields. This trend requires life prediction models for new solder alloy systems. This paper ...

주제어

#Thermal fatigue life prediction   #Microelectronic packaging   #Lead-free solder   #Solder joint   #Finite element analysis  

AI 본문요약
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제안 방법

  • Anand 모델을 적용한 열 정속 유한요소해석은 세 가지로 나누어 수행하였다. 첫째, 볼록형 무연 솔더 접합부에 대한 해석, 둘째, 볼록형 유연 솔더 접합부에 대한 해석, 그리고 마지막으로, 오목형 무연 솔더 접합부에 대한 해석을 수행하였다.
  • 따라서 본연구에서는 유.무연으로 구성된 솔더 접합부를 모델링하고, 특히 무연 솔더 접합부에서는 동일한 부피의 솔더 범프를두 가지 모양으로 모델링하여 각각의 모델링에 대해 유한요소해석 상용 프로그램인 ANSYS를 이용하여 일차적으로 일정 주기의 열 정속을 가해 수렴한 열 변형률 을 계산한 후, 각 모델에 대해 수명예측 식을 적용하여 그 결과를 비교 및 분석하고자 한다.
  • 수행하였다. 첫째, 볼록형 무연 솔더 접합부에 대한 해석, 둘째, 볼록형 유연 솔더 접합부에 대한 해석, 그리고 마지막으로, 오목형 무연 솔더 접합부에 대한 해석을 수행하였다. 각 해석에 대한 결과는 Fig.
  • 1과 같으며, 각 부분은 BT, FR4, 솔더 합금(Solder alloy), 그리고 두 개의 구리 패드(Copper pad)로 구성되어 있다. 특히, 솔더 범프의 경우에는 현재 가장 많이 사용되고 있는 형상인 볼록형 (Convex)과 본 연구에서 주기적 열 정속에 대한 개선형으로 제시한 오목형(Concave)으로 나누어 모델링을 하였다. 각 형상에 대한 치수는 Table 1에 제시하였다.
  • 0에서 Newton-Rapson법을 적용하였으며, 사용된 요소는 솔더 범프의 경우 VISCO107을, 다른 재료들은 SOLID45를 채택하였다 해석의 경계조건으로는 모든 방향의 직선변위가 0인(3=0, Uy=0, Uz=0) 질점을 각각 축의 방향에 대하여 고정시켰다. 해석에 적용된 온도 변화 조건으로, Table 4에 제시된 것과 같이 125℃-55℃의 온도 분포와 구간은 크게 네 부분으로 처음 15분 동안의 125℃-55℃온도 하강(Ramp down) 구간, 두 번째 15분 동안은 -55 ℃ 저온 유지(Dwell low)구간, 세 번째 15분 동안은 -55℃~125℃ 온도 싱승(Ramp up) 구간, 마지막 15분 동안은 125℃고온 유지(Dwell high) 구간으로 구성하였다. Fig.

대상 데이터

  • 본 해석에 사용된 솔더 접합부의 형상은 Fig. 1과 같으며, 각 부분은 BT, FR4, 솔더 합금(Solder alloy), 그리고 두 개의 구리 패드(Copper pad)로 구성되어 있다. 특히, 솔더 범프의 경우에는 현재 가장 많이 사용되고 있는 형상인 볼록형 (Convex)과 본 연구에서 주기적 열 정속에 대한 개선형으로 제시한 오목형(Concave)으로 나누어 모델링을 하였다.

이론/모형

  • 알아내는데 있다. 본 연구에서는 해석을 위해 유한요소해석 상용 프로그램인 ANSYS 10.0에서 Newton-Rapson법을 적용하였으며, 사용된 요소는 솔더 범프의 경우 VISCO107을, 다른 재료들은 SOLID45를 채택하였다 해석의 경계조건으로는 모든 방향의 직선변위가 0인(3=0, Uy=0, Uz=0) 질점을 각각 축의 방향에 대하여 고정시켰다. 해석에 적용된 온도 변화 조건으로, Table 4에 제시된 것과 같이 125℃-55℃의 온도 분포와 구간은 크게 네 부분으로 처음 15분 동안의 125℃-55℃온도 하강(Ramp down) 구간, 두 번째 15분 동안은 -55 ℃ 저온 유지(Dwell low)구간, 세 번째 15분 동안은 -55℃~125℃ 온도 싱승(Ramp up) 구간, 마지막 15분 동안은 125℃고온 유지(Dwell high) 구간으로 구성하였다.
  • 식 (5)와 (7)에 사용된 상수 爲项4는 균열의 진전과 관련된 상수 값이며, 본 연구에서는 Darveaux 가 제안한 상수 값을 사용하였고, Table 6에 그 값을 제시하였다™
  • 여기서, 식 (1)~(4)에서 사용된 Anand 상수는 Darveaux 에 의해 소개되었으며, 그동안 많은 크립(Creep) 모델이 제안되었지만, Anand 모델을 적용한 Darveaux의 방법은 여전히 많은 연구자들과 엔지니어들에게서 채택되고 사용됨으로, 본 연구에서도 Darveaux에 의해 소개된 Anand 상수를 사용하였다. Table 5는 Anand 모델에 사용되는 다양한 상수들의 의미와 값을 나타내고 있다.
  • 열 사이클 조건(-55℃~ 125℃)에 대한 해석을 수행한 후 획득한 점소성 일 밀도 A0깞과 Darveaux가 제안한 모델에서의 파괴수명 예측 식을 사용하여, Fig. 6과 같은 순서로 솔더 접합부의 수명을 예측하였다.
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참고문헌 (10)

  1. Kim, J. W., Kim, D. G., and Jung, S. B. 2006, 'Evaluation of Thermo-mechanical Reliability of Flip Chip Solder Joints(II) : II. Pb-free Solder,' The Korean Institute of Metals and Materials, Vol. 44, No. 8, pp. 587-594 

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  2. Kim, J. W., Kim, D. G., Ha, S. S., Moon, W. C., Yoo, C. S., Moon, J. H., and Jung, S. B., 2006, 'Evaluation of Thermo-mechanical Reliability of Flip Chip Solder Joints (I) : I. Pb-bearing Solder,' The Korean Institute of Metals and Materials, Vol. 44, No. 8, pp. 581-586 

    상세보기

  3. Ha, B. Y., Lee, J. H., Shin, Y. E., Jung, J. P., and Han, H. J., 2000, 'Reliability of Fine Pitch Solder Joint with Sn-3.5wt%Ag Lead-Free Solder,' The Korean Welding and Joining Society, Vol. 18, No. 3, pp. 350-357 

  4. Shin, K. H., Kim, H. T., and Jang, D. Y., 2007, 'An Analysis on the Thermal Shock Characteristics of Pbfree Solder Joints and UBM in Flip Chip Packages,' Proceedings of The KSMTE Spring Conference 2007, pp. 22-27 

  5. Guedon-Gracia, A., Woirgard, E., and Zardini, C., 2005, 'Correlation between Experimental Results and FE Simulations to Evaluate Lead-Free BGA Assembly Reliability,' Microelectronics Reliability, Vol. 45, pp. 1652-1657 

    상세보기 crossref

  6. Gonzalez, M., Vandevelde, B. Vanfleteren, J., and Manessis, D., 2005, 'Thermo-Mechanical FEM Analysis of Lead Free and Lead Containing Solder for Flip Chip Applications,' EMPC, pp. 440-445 

  7. Darveaux, R., Islam, M. N., Singh, N., and Suhling, J. C., 2004, 'Model for BGA and CSP Reliability in Automotive Underhood Application,' IEEE Transaction on Components and Packaging Technologies, Vol. 27, No. 3, pp. 585-593 

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  8. Ng, H. S., Tee, T. Y., Goh, K. Y., Luan, J., Reinikainen, T., Hussa, E., and Kujala, A., 2005, 'Absolute and Relative Fatigue Life Prediction Methodology for Virtual Qualification and Design Enhancement of Lead-free BGA,' IEEE Electronic Components and Technology Conf., pp. 1282-1291 

  9. Zhang, L., Sitaraman, R., Patwardhan, V., Nguyen, L., and Kelkar, N., 2003, 'Solder Joint Reliability Model with Modified Darveaux's Equations for the micro SMD Wafer Level-Chip Scale Package Family,' IEEE Electronic Components and Technology Conf., pp. 572-577 

  10. Darveaux, R., 2000, 'Effect of simulation methodology on solder joint crack growth correlation,' Proc. 50th ECTC, pp. 1048-1063 

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