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문제 정의
- 본 연구에서는 2 가지 조성의 무은 솔더를 개발하고, 이를 현재 사용 중인 Sn–Ag-Cu 계열의 솔더와 비교 평가를 실시하였다.
- 본 연구에서는 새롭게 개발된 무은 솔더에 대하여 저저항 측정을 통하여 평가를 실시한다. 무은 솔더 평가 결과를 바탕으로의 수명을 추정한다.
제안 방법
- 먼저 3 가지 조성의 솔더를 이용하여 인쇄기판에 도포하고, 리플로우 공정을 거쳐 고체화 한다. 3 가지 솔더의 신뢰성을 평가하기 위하여 열충격 시험과 고온고습 시험을 실시한다. 두 가지 가속 열화 시험을 통한 솔더의 신뢰성을 평가하기 위하여 저저항 측정을 실시하고, 결과값을 이용하여 데이터 분석을 실시한다.
- 개발된 무은 솔더의 신뢰성을 평가하기 위하여, 무은 솔더 페이스트 2 가지, Sn-Ag-Cu 계열 솔더 페이스트 1 가지를 포함하는 3 가지 조성의 솔더를 이용하여 시험을 실시한다. 사용되는 페이스트 파우더에 대한 세부적인 조성 및 표기는 <표 1> 과 같다.
- 개발된 무은 솔더의 신뢰성을 평가하기 위하여, 영하 40℃ 에서 30 분간 방치한 후 125℃에서 30 분을 방치하는 조건으로 열충격 시험을 실시한다. 열충격 시험은 기계적인 피로로 인하여 발생하는 크랙 사이즈를 평가하기 위하여 실시한다(Laurila et al(2007)).
- 3 가지 솔더의 신뢰성을 평가하기 위하여 열충격 시험과 고온고습 시험을 실시한다. 두 가지 가속 열화 시험을 통한 솔더의 신뢰성을 평가하기 위하여 저저항 측정을 실시하고, 결과값을 이용하여 데이터 분석을 실시한다.
- 열충격 시험은 기계적인 피로로 인하여 발생하는 크랙 사이즈를 평가하기 위하여 실시한다(Laurila et al(2007)). 또한 수분 입자가 고온에서 부품에게 미치는 영향을 확인하기 위하여, 85℃/85%RH 조건에서 고온고습 시험을 실시한 후 신뢰성 평가를 실시한다(Wong et al(2002)).
- 무은 솔더 평가 결과를 바탕으로의 수명을 추정한다. 무은 솔더에 대한 평가 결과와 추정된 수명을 현재 사용하고 있는 Sn-Ag-Cu 계열의 솔더와 비교 평가하여 신뢰성 확보 여부를 판정한다.
- 시료는 와 같이 다이 칩 형태의 기판에 가로 10, 세로 10개로 총 100 개의 랜드를 만들고 좀 더 큰 상대편의 기판에도 동일하게 랜드를 만들어 해당 부분에 솔더 페이스트를 인쇄하여 리플로우 공정을 거쳐 제작한다.
- 저저항 측정시 발생하는 노이즈를 감소시키기 위하여, 시료를 특수 제작된 지그에 장착하여 4 단자 프로브 장비를 이용한다(Jeong et al(2009)). 일정 시험시간이 경과한 후에 측정된 시료는 다시 고온고습 또는 열충격 챔버에 넣어 계속 실험을 실시하고 저저항을 측정하는 복원측정을 실시한다.
- 통계 데이터 프로그램에서 제공하는 확률지와 상관계수를 이용하여 모수 α, β 에 대하여 지수분포, 와이블분포, 정규분포, 대수정규분포 중 어떠한 분포가 가장 적절한지 확인한다.
대상 데이터
- 조성과 시험에 따른 세부적인 시료의 수는 <표 2> 와 같다. RF, AF-A, AF-B 조성에 따라 열충격 시험을 실시하기 위한 시료와 고온고습 시험을 실시하기 위하여 동일한 형태의 시료를 각각 40 개씩 제작한다. 시료는 <표 2> 와 같이 다이 칩 형태의 기판에 가로 10, 세로 10개로 총 100 개의 랜드를 만들고 좀 더 큰 상대편의 기판에도 동일하게 랜드를 만들어 해당 부분에 솔더 페이스트를 인쇄하여 리플로우 공정을 거쳐 제작한다.
- 무은 솔더 AF-A, AF-B 에 대한 솔더의 성분은 유사하지만, AF-A 의 경우는 니켈 성분이 추가적으로 함유된다. Sn-Ag-Cu 조성 솔더는 가장 많이 사용되고 있는 Sn-1.0Ag-0.5Cu 조성을 가진 솔더를 이용한다.
데이터처리
- 피팅된 그래프 형태 및 모수를 확인한 결과, 열충격 시험의 경우 대부분이 convex curve 형태로 저항이 증가하는 경향을 보인다. 모델의 적절성을 확인하기 위하여 각 시료에 대하여 선정된 모델을 선형 변환하여 회귀분석을 실시한다. RF 의 경우에는 Adj.
이론/모형
- 다양한 모델중 지수모델에 관한 적합성이 가장 높은 것으로 확인되고, 대부분의 열화데이터가 지수적인 형태로 증가한다. 그러므로 적합성이 좋은 지수모델로 알려진 확장형 지수모델(Stretched Exponential Model)을 이용하여 분석을 실시한다(Alam et al(2007)). 확장형 지수모델의 경우 일반적으로 사용되는 지수모델에 비하여 1 개 증가된 모수를 가지므로 더 많은 정보를 제공할 수 있지만, 복잡성이 증가하여 데이터 피팅이 어려운 단점이 있다.
- 열충격 시험과 고온고습 시험에서 어떠한 형태로 저저항 측정 데이터가 어떠한 형태로 변화하는지 확인하여야 한다. 대표적인 열화모델인 선형모델, 지수모델, power 모델, log 모델, Gompertz 모델, Lloydlipow 모델을 이용하여 1차적인 적합성 분석을 실시한다. 다양한 모델중 지수모델에 관한 적합성이 가장 높은 것으로 확인되고, 대부분의 열화데이터가 지수적인 형태로 증가한다.
- 시료는 <표 2> 와 같이 다이 칩 형태의 기판에 가로 10, 세로 10개로 총 100 개의 랜드를 만들고 좀 더 큰 상대편의 기판에도 동일하게 랜드를 만들어 해당 부분에 솔더 페이스트를 인쇄하여 리플로우 공정을 거쳐 제작한다. 이 100개 솔더는 하나의 링 형태로 연결하는 데이지 체인(Daisy Chain)을 구성하고, 시료에 대한 평가를 실시하기 위하여 저저항 측정법을 이용한 복원측정을 실시한다.
성능/효과
- 열충격 시험과 고온고습 시험을 통하여 재현된 스트레스에 대하여, AF-A, AF-B 가 더 좋은 신뢰성을 가지고 있다. 그러므로 데이터 분석을 통해 도출된 열화모델을 이용하여 수명을 추정하였을 때, AF-B, AF-A, RF 순서로 좋은 특성을 나타낸다. 솔더의 종류에 따라 첨가되는 금속인 비스무스(Bi), 게르마늄(Ge), 니켈(Ni) 의 영향으로 인하여 강도 및 조대화의 진행 수준에 따라 추정되는 수명이 상이한 것을 확인할 수 있다.
- 추정된 저저항 값의 10%, 20% 변화 시점에서 발생한 크랙의 크기는 <그림 3> 과 같다. 솔더 크랙 관찰결과 기판의 놋치 부분에서 솔더 크랙이 초기값 대비 10%이상의 저항 값 증가 시 확인할 수 있다.
- RF 솔더와 비교하였을 때, AF-A, AF-B 솔더가 모두 더 좋은 특성을 가진다. 열충격 시험에 관하여 RF 솔더의 저저항 값이 10% 증가하는 시점이 3516 사이클이지만, AF-A, AF-B 솔더는 각각 4834 사이클과 4123 사이클로 더 좋은 특성을 나타낸다. 고온고습 시험에 대하여 추정된 저저항 10% 증가 시점이 RF 솔더의 경우 6106 시간인 반면, AF-A, AF-B 솔더는 각각 6,890 시간, 8,349 시간으로 뛰어난 특성을 나타낸다.
- 저저항 측정 데이터에 관한 분석을 실시한 결과, RF 에 비하여 새롭게 개발된 AF-A, AF-B 솔더의 저항변화가 작게 나타난다. 열충격 시험과 고온고습 시험을 통하여 재현된 스트레스에 대하여, AF-A, AF-B 가 더 좋은 신뢰성을 가지고 있다.
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