PCB와 BGA 패드의 형태가 무연솔더 접합부의 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하었다. 현재 BGA/PCB 패드의 형태는 NSMD (Non-Solder Mask Defined)와 SMD (Solder Mask Defined) 두 가지 구조로 형성되어 있다. 본 연구에서는 OSP 도금처리한 무연솔더(Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu)의 패드 형태를 NSMD, SMD로 달리하여 낙하충격시험, 굽힘충격시험, 고속전단시험을 통한 솔더 접합부의 기계적 특성을 연구하였다. 낙하충격과 굽힘충격시험의 경우 패드 구조에 따른 솔더볼 접합부의 특성수명은 동일한 경향을 나타내었으며, 솔더접합부의 기계적 특성은 SMD가 NSMD보다 우수하였다. 이 이유는 SMD의 경우 낙하충격 시험과 고속 전단시험 모두 IMC에서 파단이 일어난 반면에 NSMD의 경우 낙하충격 시험 후의 파단면은 패턴을 감싸고 있는 랜드 상단 모서리 부분에서 파단이 일어났기 때문인 것으로 판단된다. 전단시험의 경우에는 NSMD 접합부에서 패드 lift현상이 발생하였다. 따라서 BGA/PCB의 패드구조의 조합은 SMD/SMD > SMD/NSMD > NSMD/SMD > NSMD/NSMD 순으로 기계적 특성 수명이 우수하였다.
PCB와 BGA 패드의 형태가 무연솔더 접합부의 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하었다. 현재 BGA/PCB 패드의 형태는 NSMD (Non-Solder Mask Defined)와 SMD (Solder Mask Defined) 두 가지 구조로 형성되어 있다. 본 연구에서는 OSP 도금처리한 무연솔더(Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu)의 패드 형태를 NSMD, SMD로 달리하여 낙하충격시험, 굽힘충격시험, 고속전단시험을 통한 솔더 접합부의 기계적 특성을 연구하였다. 낙하충격과 굽힘충격시험의 경우 패드 구조에 따른 솔더볼 접합부의 특성수명은 동일한 경향을 나타내었으며, 솔더접합부의 기계적 특성은 SMD가 NSMD보다 우수하였다. 이 이유는 SMD의 경우 낙하충격 시험과 고속 전단시험 모두 IMC에서 파단이 일어난 반면에 NSMD의 경우 낙하충격 시험 후의 파단면은 패턴을 감싸고 있는 랜드 상단 모서리 부분에서 파단이 일어났기 때문인 것으로 판단된다. 전단시험의 경우에는 NSMD 접합부에서 패드 lift현상이 발생하였다. 따라서 BGA/PCB의 패드구조의 조합은 SMD/SMD > SMD/NSMD > NSMD/SMD > NSMD/NSMD 순으로 기계적 특성 수명이 우수하였다.
The effect of PCB and BGA pad designs was investigated on the mechanical property of Pb-free solder joints. The mechanical property of solder joint was tested by three different test methods of drop impact tests, bending impact test, and high speed shear test. Two kinds of pad design such as NSMD (N...
The effect of PCB and BGA pad designs was investigated on the mechanical property of Pb-free solder joints. The mechanical property of solder joint was tested by three different test methods of drop impact tests, bending impact test, and high speed shear test. Two kinds of pad design such as NSMD (Non-Solder Mask Defined) and SMD (Solder Mask Defined) were applied with the OSP finished Pb-free solder (Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu). in the drop impact test and bending impact test, the characterized lifetime showed the same tendency, and SMD design showed better mechanical property of solder joint than NSMD regardless of test method, which was due to the different crack path. The fracture crack on SMD pad was propagated along the intermetallic compound (IMC) layer of solder joint, while the fracture crack on NSMD pad propagated through upper edge of land which shields pattern. In the high speed shear test, pad lift occurred on the solder joint of NSMD. SMD/SMD combination of pad design consequently illustrated the best mechanical property of BGA/PCB solder joint, followed by SMD/NSMD, NSMD/SMD, and NSMD/NSMD.
The effect of PCB and BGA pad designs was investigated on the mechanical property of Pb-free solder joints. The mechanical property of solder joint was tested by three different test methods of drop impact tests, bending impact test, and high speed shear test. Two kinds of pad design such as NSMD (Non-Solder Mask Defined) and SMD (Solder Mask Defined) were applied with the OSP finished Pb-free solder (Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu). in the drop impact test and bending impact test, the characterized lifetime showed the same tendency, and SMD design showed better mechanical property of solder joint than NSMD regardless of test method, which was due to the different crack path. The fracture crack on SMD pad was propagated along the intermetallic compound (IMC) layer of solder joint, while the fracture crack on NSMD pad propagated through upper edge of land which shields pattern. In the high speed shear test, pad lift occurred on the solder joint of NSMD. SMD/SMD combination of pad design consequently illustrated the best mechanical property of BGA/PCB solder joint, followed by SMD/NSMD, NSMD/SMD, and NSMD/NSMD.
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문제 정의
본 연구에서는 우수한 낙하충격 수명을 나타내는 패드형상을 연구하기 위하여 패드형상을 달리하여 고속전단 시험, 낙하충격 시험 및 굽힘충격 시험의 3가지 시험방법을 이용하여 패드형상에 따른 수명을 비교분석하였다.
제안 방법
본 연구를 위해 BGA 부품을 보드에 탑재한 후 리플로우하여 시편을 제작하였다. 시험을 위해 사용된 솔더 볼의 조성은 Sn-3.
PCB 기판의 총 두께 및 크기는 15×15×1 mm3로 동일하였고 각 시험편의 자세한 규격은 Table 1에 나타내었다. 시험편 제작을 위한 솔더 볼의 리플로우 조건은 RS D 0015 무연 솔더볼2)에 준하여 예열 구간 온도는 150~180℃, 최대 피크온도는 245℃에서 4초간 유지하여 시험을 행하였다. Fig.
3은 낙하충격 시험을 위한 개략도를 나타낸 것이다. 테이블 위에 측정하고자 하는 PCB 보드를 장착 후 저항 측정을 위해 15개의 채널에 대해 저항 채널 연결 후 낙하 충격 시험을 행하였다. 시험 조건은 가속도 1500G, 충격유지 시간은 0.
테이블 위에 측정하고자 하는 PCB 보드를 장착 후 저항 측정을 위해 15개의 채널에 대해 저항 채널 연결 후 낙하 충격 시험을 행하였다. 시험 조건은 가속도 1500G, 충격유지 시간은 0.5 ms로 fail의 기준은 초기 저항 대비 100ohm이상으로 5회 중 연속 3회 fail에서 첫 번째 fail을 fail 기준으로 하였다.
고속 전단 시험과 낙하 충격 시험 후의 접합부의 파단 양상을 알아보기 위해 시편을 cold 마운팅 후 sand paper #1500까지 연마 후 0.05 µm 알루미나 분말을 이용하여 표면 연마를 하였다.
굽힘충격 시험편의 경우 PCB의 최외각 6개의 부품이 탑재 되지 않은 시험편을 이용하였으며, 이는 충격 지그로 인한 시료의 직접적인 영향을 줄이기 위함이다. 시험조건은 이전의 굽힘충격연구4)에서 특성수명을 가장 잘 나타내었던 조건인 주파수 10 Hz, 굽힘 시의 진폭은 +12, -1로 하였으며, 파형은 스텝파형으로 4점 충격 굽힘 시험을 하였다. fail 기준은 낙하시험과 동일하게 적용하였다.
05 µm 알루미나 분말을 이용하여 표면 연마를 하였다. 파단면 관찰을 위해 5% 나이탈(5 ml HNO3, 100 ml 알코올) 부식액을 이용하여 에칭 한 후 SEM을 이용하여 관찰하였다.
대상 데이터
시험을 위해 사용된 솔더 볼의 조성은 Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu이며, 지름은 450 µm이다.
PCB 기판의 크기는 JESD22-B111에서 규정하는 132×77×1 mm3를 사용하였으며, 부품으로 사용한 패키지 크기는 15×15×1 mm3이며 패드 피치간격은 1.6 mm이다.
본 연구에서 고속전단 시험을 위한 시험 조건은 전단 속도는 1000 mm/s, 전단높이는 45 µm, 시험하중은 500 g로 하였다.
본 연구에서 사용한 무연 솔더 볼의 조성 및 볼 크기와 표면처리는 전단시험과 동일하며, 낙하 충격시험편의 기판의 형태는 BGA/PCB의 순서로 SMD/SMD, NSMD/SMD, NSMD/NSMD, SMD/NSMD의 4종류의 패드형태를 사용하였다. PCB 기판의 크기는 JESD22-B111에서 규정하는 132×77×1 mm3를 사용하였으며, 부품으로 사용한 패키지 크기는 15×15×1 mm3이며 패드 피치간격은 1.
본 연구에서 시험 시 파단에 의한 저항 증가 측정을 위한 장비는 키슬리 2701멀티 메타(사양: 저항측정은 초당 1000개 이상, 저항 값 기록수는 1초당 20개 이상, 최대 측정가능 저항은 108ohm이상)를 사용하였다. 충격 굽힘 시험은 4점 굽힘을 사용하였으며, 충격 굽힘 시험을 위한 test 지그의 형상 및 치수는 Fig.
충격시험편의 조건은 낙하충격 시험편 조건과 모두 동일하나, 부품의 탑재형태가 차이가 난다. 굽힘충격 시험편의 경우 PCB의 최외각 6개의 부품이 탑재 되지 않은 시험편을 이용하였으며, 이는 충격 지그로 인한 시료의 직접적인 영향을 줄이기 위함이다. 시험조건은 이전의 굽힘충격연구4)에서 특성수명을 가장 잘 나타내었던 조건인 주파수 10 Hz, 굽힘 시의 진폭은 +12, -1로 하였으며, 파형은 스텝파형으로 4점 충격 굽힘 시험을 하였다.
데이터처리
본 연구에서 고속전단 시험을 위한 시험 조건은 전단 속도는 1000 mm/s, 전단높이는 45 µm, 시험하중은 500 g로 하였다. 고속전단 시험을 위해 사용한 장비는 DAGE-4000HS 모델이었으며, 시험 시 동일조건에서 13회씩 반복하여 결과의 평균값을 취하였다.
이론/모형
6 mm이다. 낙하 충격 시험은 JESD22-B111에 준하여 시험 하였다. Fig.
성능/효과
5(a), (b)는 조성과 패드 형태에 따른 고속전단 강도와 충격에너지 값을 나타낸 결과이다. 조성과 관계없이 SMD가 NSMD에 비하여 고속전단 강도가 높게 나타났으며, 조성에 따른 고속전단 강도는 패드구조와 관계 없이 Sn-1.2Ag-0.5Cu가 Sn-3.0Ag-0.5Cu에 비하여 높게 나타났다. Ag함량이 감소할수록 일반적으로 전단강도가 증가한다는 연구 결과가 보고되었으며5,6) 이러한 이유는 솔더 내부의 Ag함량이 낮을수록 충격이 가해졌을 때 솔더가 쉽게 변형되어 충격으로 인한 응력을 완화시켜 주기 때문이다.
8은 패드 형태와 조성에 따른 낙하 횟수에 따른 누적파괴를 와이블 분포로 나타낸 결과이다. 그림에서 보면 63.2% 특성수명에서 조성에 관계없이 NSMD에 비해 SMD의 낙하 특성이 우수하게 나타났다. Sn-3.
5Cu의 경우 NSMD/ SMD, SMD/SMD, NSMD/NSMD, SMD/NSMD의 순으로 우수한 특성수명을 나타내었다. 따라서 패드 형태에 따라 조성에 관계없이 대체적으로 PCB 기판이 SMD인 경우 낙하 수명이 우수 나타났다. 이것은 PCB가 SMD인 경우 SR에 따른 BGA 부품의 충격을 흡수하여 수명이 NSMD보다 우수한 것으로 생각된다.
1. 전단시험은 강도값과 에너지 값은 조성과 관계없이 SMD가 NSMD에 비하여 높았으며, 이는 파면의 SEM관찰 결과 파괴균열이 SMD는 IMC층을 따라 진행한 반면 NSMD 경우 패드 lift현상이 주로 발생하여 강도 감소의원인으로 판단되었다.
2. 낙하 충격시험 결과 PCB에 탑재되는 BGA의 패드 구조에 따른 수명차이는 크지 않았으나, PCB의 패드 구조가 SMD일 경우, NSMD일 경우 보다 낙하충격 특성이더 우수하였다. 이는 파단면의 충격에 의한 균열이 NSMD의 경우 균열 진전부위가 Cu 패드 자체이므로 균열길이가 IMC층을 따라 일어나는 SMD에 비하여 훨씬 짧으므로 NSMD의 초기 fail 속도가 SMD에 비해 상당히 빠르게 발생한 것으로 판단되었다.
3. 조성에 따른 기계적 특성을 비교한 결과 Ag함량이 적은 Sn-1.2Ag-0.5Cu 솔더볼이 Sn-3.0Ag-0.5Cu보다 특성 수명이 우수하였다. 이는 솔더 내 Ag 함량이 높을수록 Ag3Sn입자의 석출로 인한 석출경화 효과가 증가하여 취성적으로 되고, Ag함량이 낮은 Sn-1.
4. 각 패드 구조 및 조성에서 행한 전단시험 및 굽힘 충격시험은 낙하 충격시험과 동일한 경향의 특성수명을 나타내었다. 따라서 고비용 장시간이 소요되는 낙하충격 시험을 대체하여 저비용의 전단시험 및 굽힘충격시험법에 의해서도 솔더접합부의 기계적 특성을 평가하는 데에는 문제가 없는 것으로 판단된다.
또한 낙하충격 시험에 따른 수명과 비교해 보았을 때 전체적으로 비슷한 수명을 나타내는 것으로 판단되나 Fig. 10(a)의 특성수명 그래프에서 볼 때 SMD/SMD경우에는 결과의 분포가 넓게 나타났으나 NSMD/NSMD 경우 수명이 시험 fail 횟수에 관계없이 비슷하게 나타났다.
5Cu의 NSMD/NSMD 경우에는 결과의 분포가 넓게 나타났으나 SMD/SMD 경우 이와는 반대로 수명이 시험 fail 횟수에 관계없이 비슷하게 나타났다. 따라서 굽힘충격 시험은 낙하충격 시험과 대비하여 값의 산포의 차이는 있으나 63.2% 특성수명 결과 값으로만 판단하였을 때 낙하충격 시험결과와 동일하게 패드 형태에 따라 조성에 관계없이 PCB 기판이 SMD인 경우 낙하 수명이 좋게 나타났다. 따라서 솔더 접합부의 접합강도의 측정을 위해서 고비용과 장시간이 소요되는 낙하충격 시험을 대신하여 간단한 굽힘충격 시험을 이용하여 비교적 빠른 시간 내에 결과를 도출할 수 있다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
낙하 시험이란?
이런 낙하 사고는 기기에 기계적인 고장을 일으킬 뿐만 아니라, 내부에 탑재된 PCB 부품에 전기적 고장을 발생시킨다. 휴대용 단말기 등은 사용 중의부주의 등에 의해 떨어뜨리는 현상이 종종 발생하며 이러한 현상을 재현하기 위한 신뢰성 시험 중의 하나로 완제품 단위가 아닌 PCB 패키지 레벨에서 평가하는 연구가 이루어지고 있으며 대표적인 시험법이 PCB 에 각종 부품 (BGA 반도체 부품 포함)을 장착 후 반복해서 일정높이에서 떨어뜨리는 시험이 있으며 이것이 솔더 접합부 기계적 충격특성방법중의 하나인 낙하 시험이다. 이러한 낙하 충격시험에 대하여 JEDEC (Joint Electron Device Engineer ing Council)의 규격에서 시험방법을 규정하고 있다.
휴대용 전자 제품이란 어떤 기기들을 말하는가?
휴대용 전자 제품은 카메라, 계산기, 휴대폰, 팜사이즈 PC, 스마트카드, 모바일 폰, PDA 와 다른 전자 제품 등을 포함하는데, 이것은 포켓 속에 편리하게 저장될 수 있고, 사용자의 손 안에서 사용된다. 이러한 휴대용 전자 제품 들은 크기와 무게가 작기 때문에 사용 동안 자주 떨어뜨리는 경우가 많다.
휴대용 전자 제품의 낙하 사고로 인하여 어떠한 문제가 발생하는가?
이러한 휴대용 전자 제품 들은 크기와 무게가 작기 때문에 사용 동안 자주 떨어뜨리는 경우가 많다. 이런 낙하 사고는 기기에 기계적인 고장을 일으킬 뿐만 아니라, 내부에 탑재된 PCB 부품에 전기적 고장을 발생시킨다. 휴대용 단말기 등은 사용 중의부주의 등에 의해 떨어뜨리는 현상이 종종 발생하며 이러한 현상을 재현하기 위한 신뢰성 시험 중의 하나로 완제품 단위가 아닌 PCB 패키지 레벨에서 평가하는 연구가 이루어지고 있으며 대표적인 시험법이 PCB 에 각종 부품 (BGA 반도체 부품 포함)을 장착 후 반복해서 일정높이에서 떨어뜨리는 시험이 있으며 이것이 솔더 접합부 기계적 충격특성방법중의 하나인 낙하 시험이다.
참고문헌 (8)
JEDEC Standard JESD22-B111, Board Level Drop test Method of Components for Handheld Electronic Products
RS D 0015, 무연 솔더볼, 산업자원부 기술표준원, (2003).
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I. N. Jang, J. H. Park and Y. S. Ahn, "Effect of Reflow Number and Surface Finish on the High Speed Shear Properties of Sn-Ag-Cu Lead-Free Solder Bump", J. Microelectronics Packag. Soc., 16(3), 11 (2009).
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