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문제 정의
- 본 논문에서는 솔더의 크리프 한도를 예측하기 위하여 유한요소모델을 구성하고 그 모델의 크리프변형 특성을 실험값으로 검증한다.
제안 방법
- 5오} 같은 지그를 제작하였다. 100x100mm2 넓이의 지그의 중심부분에 15mm의 원형 구멍을 만들어서 그곳으로 앵커가 나올 수 있도록 설계하였다. 앵커를 당겨주는 갈고리 모양의 지그는 곡률반경 4mm, 두께 3mm로 제작하였다.
- SnPb 솔더에 대한 유한요소모델의 크리프특성을 검증하였다. 이 솔더는 고온이 지속적으로 유지되는 환경에서 사용되는 컴퓨터내 주보드의 방열판을 고정하는 앵커의 실장을 위해서 사용된다.
- 개발된 유한요소모델이 실제 크리프 현상을 정확히 재현하는 지에 대한 검증을 위해서 앵커시편에 대해서 크리프시험을 수행하였다. 앵커 크리프시 험 에서 분석 된 크리프속도(0.
- 만들어진 유한요소모델이 앵커 크리프 현상을 정확히 재현하는 지에 대한 검증을 위해서 실제 앵커시편에 대해서 크리프시험을 수행하였다. 앵커 크리프시험에서 측정된 변형량과 유한요소모델에서 예측되는 변형량을 비교하여 두 데이터 간 불일치성을 확인하고 두 데이터 간에 발생하는 차이를 보상하기 위하여 유한요소모델의 물성치를 교정하였다.
- 사용된 요소 종류는 ANSYS의 3D 구조요소인 “185” 요소와 솔더부분 모델링을 위해 3D 점소성 요소인 “107” 요소가 사용되 었다. 모델의 경계조건은 1/8모델의 양 측면이 대칭조건으로 모델링 되었으며 앵커 맨 끝단이 앵커 길이방향으로 구속되며 앵커 상단에 하중을 압력으로 적용하였다.
- 대해서 크리프시험을 수행하였다. 앵커 크리프시 험 에서 분석 된 크리프속도(0.02 卩 m/h)와 유한요소모델에 서 예 측되 는 크리 프속도(0.006 卩 m/h)가 일치하지 않음을 확인하고 두 데이터간에 발생하는 차이를 보상하기 위하여 유한요소모델의 물성치 중 Q/R을 5, 797(1/K)에서 5, 500(1/K)으로 교정하였다. 교정된 유한요소모델은 솔더의 크리프 속도 0.
- 앵커 크리프시험에서 측정된 변형량과 유한요소모델에서 예측되는 변형량을 비교하여 두 데이터 간 불일치성을 확인하고 두 데이터 간에 발생하는 차이를 보상하기 위하여 유한요소모델의 물성치를 교정하였다.
- 유한요소모델의 크리프변형속도를 시험데이터와 일치하게 교정하기 위하여 솔더의 물성치를 수정하였다. Anand 솔더 물성치 모델에서 크리프변형속도에 가장 밀접한 관계를 갖는 상수는 크리프의 확산속도와 관계된 Q/R(Table 2 참조)이다.
- 천이영역 (transient region)을 나타낼 수 있는 Yeo의 데이터를 기준으로 Anand 솔더 물성치에서 Q/R을 5, 000(1/K)과 5, 500(1/K)으로 교정하였다. 예상한 바와 같이 앵커의 크리프변형량은 Q/R의 변화에 민감하게 변화한다.
- 크리프시험은 Fig. 4에서 보여주는 바와 같이 변위분해능 1um를 갖는 인장시험기(모델명: Instron 858)를 이용해 상온 조건에서 실제조건을 고려하여 80N의 하중을 총 1, 000시간동안 시험편에 일정하게 인가하였고 데이터 수집 장비를 사용하여 10분마다 솔더가 변형되는 길이를 측정하였다.
대상 데이터
- 파랑색과 녹색은 각각 앵커와 PCB에 해당한다. 사용된 요소 종류는 ANSYS의 3D 구조요소인 “185” 요소와 솔더부분 모델링을 위해 3D 점소성 요소인 “107” 요소가 사용되 었다. 모델의 경계조건은 1/8모델의 양 측면이 대칭조건으로 모델링 되었으며 앵커 맨 끝단이 앵커 길이방향으로 구속되며 앵커 상단에 하중을 압력으로 적용하였다.
- 100x100mm2 넓이의 지그의 중심부분에 15mm의 원형 구멍을 만들어서 그곳으로 앵커가 나올 수 있도록 설계하였다. 앵커를 당겨주는 갈고리 모양의 지그는 곡률반경 4mm, 두께 3mm로 제작하였다.
- 유한요소모델은 구조물의 형상과 하중의 대칭성을 이용하여 축방향으로 1/8 모델링 되었으며 사용된 총 요소 수는 4, 648개이다. 요소수는 수렴성 검증 후에 최종 결정하였다.
- 황동과 구리는 등방성 재료이고, PCB는 횡등방성 (transverse isotropic) 재료로 모델링하였다. PCB 물성치의 경우 참고문헌(이1)의 값을 조사.
데이터처리
- PCB 물성치의 경우 참고문헌(이1)의 값을 조사.분석한 후 평균값을 사용하였다.
- 2에 제시된 바와 같이 정사각형 단면을 갖고 PCB의 원통형홀에 솔더로 실장 되어 있다. 이 구조물에 일정온도와 인장하중이 작용할 때 발생하는 응력분포를 분석하기 위하여 상용 유한요소 프로그램인 ANSYS를 사용하였다. 개발된 유한요소모델은 Fig.
이론/모형
- 이 솔더는 고온이 지속적으로 유지되는 환경에서 사용되는 컴퓨터내 주보드의 방열판을 고정하는 앵커의 실장을 위해서 사용된다. 유한요소모델에서 솔더의 특성은 Anand 통합구성 방정식을 이용하여 모델링하였고 물성치로는 Darveaux(15)와 Yeo(17)의 데이터를 사용하였다.
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