[논문]온도변화 환경에서 칩저항 실장용 유·무연솔더의 수명모델 검증연구

한창운

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.3.259

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최근에 온도변화 환경에서 칩저항 실장용 유 무연 솔더의 수명예측모델이 개발되었다. 개발된 수명예측모델에 의하면 가속조건에서는 칩저항 실장 무연솔더가 유연솔더보다 수명이 적은 것으로 나타나지만, 실제조건에서는 무연솔더의 신뢰성이 유연솔더보다 우수하다. 본 연구에서는 개발된 수명예측모델의 검증 연구를 수행한다. 수명예측모델을 다른 칩저항 실장 유 무연 솔더 시험 결과에 적용하고 비교하기 위해서, 유한요소모델을 개발하고 시험 온도사이클 조건을 적용한다. 변형율 에너지 밀도를 계산하고 수명을 예측한다. 마지막으로 유 무연 솔더에 대해서 예측결과를 시험결과와 비교한다. 검증 결과는 개발된 수명예측모델이 사용 가능한 범위에서 수명을 예측할 수 있음을 보인다.

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Recently, life prediction models for Pb-based and Pb-free solders used in chip resistor assemblies under thermal cycling have been introduced. The models suggest that the field lifetimes of Pb-free solders would be better than those of Pb-based solders when used for chip resistors under thermal cycl...

Recently, life prediction models for Pb-based and Pb-free solders used in chip resistor assemblies under thermal cycling have been introduced. The models suggest that the field lifetimes of Pb-free solders would be better than those of Pb-based solders when used for chip resistors under thermal cycling conditions, while the lifetime of the chip assemblies under accelerated test conditions show a reverse relationship. In this study, the prediction models were verified by applying the model to another research case. Finite element models were built, thermal cycling conditions were applied, and the energy densities were calculated. Finally, life prediction analysis was conducted for the cases where Pb-based and Pb-free solders were used. The prediction results were then compared with the test data of the case. It was verified that the predictions of the developed life cycle models are on the practical scale.

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문제 정의

본 논문에서는 상기 개발된 수명모델의 증명연구를 수행한다. NCMS의 유·무연 솔더 시험결과에 기 개발된 칩저항 수명모델을 적용하고 수명모델로부터 예측된 예측수명과 실험에서 나온 실제수명을 비교하여 수명모델의 유효성을 검증한다.
최근에 온도변화 환경에서 칩저항 실장용 유·무연 솔더의 수명예측모델이 개발되었다. 본 논문에서는 개발된 수명모델에 대한 검증 연구를 수행하였다. 타 연구의 시험결과(NCMS 연구결과)에 대해서 개발된 수명모델을 적용하여 예측된 예측수명과 실험치 수명을 비교하였다.

제안 방법

NCMS의 유·무연 솔더 시험결과에 기 개발된 칩저항 수명모델을 적용하고 수명모델로부터 예측된 예측수명과 실험에서 나온 실제수명을 비교하여 수명모델의 유효성을 검증한다.
또한 실제 조건에서의 유·무연 솔더의 수명을 예측하고 상호 비교한다.
NCMS의 유·무연 솔더 시험결과에 기 개발된 칩저항 수명모델을 적용하고 수명모델로부터 예측된 예측수명과 실험에서 나온 실제수명을 비교하여 수명모델의 유효성을 검증한다. 수명모델의 적용을 위해서 유한요소 모델링을 수행하고 온도 사이클을 가하였을 때 솔더에 발생하는 변형율 에너지 밀도를 구한다. 이렇게 구한 에너지 밀도를 수명모델에 적용하여 가속 조건에서의 수명을 구하고 실험치와 비교한다.
수명모델의 적용을 위해서 유한요소 모델링을 수행하고 온도 사이클을 가하였을 때 솔더에 발생하는 변형율 에너지 밀도를 구한다. 이렇게 구한 에너지 밀도를 수명모델에 적용하여 가속 조건에서의 수명을 구하고 실험치와 비교한다. 또한 실제 조건에서의 유·무연 솔더의 수명을 예측하고 상호 비교한다.
상기에 기술한 수명모델을 NCMS 시험결과에 적용하기 위해서 NCMS 시험에 사용된 칩저항을 Fig. 1과 같이 유한요소 모델링하였다. 모델은 1/4 대칭모델이며 모델링은 상용프로그램인 ANSYS를 사용하였다.
수명예측을 가속조건이 아닌 실제 조건에 대해서 수행하였다. 실제 조건에서는 유·무연 솔더 수명이 어떤지 비교하기 위해, IEC 60721-3-7(16)에 정의된 휴대기기의 실제 온도 조건인 70°C ~ -40°C 온도 사이클 조건을 개발된 수명모델에 적용하였다.
변형율 에너지 밀도를 계산하고 수명을 예측하고 유·무연 솔더에 대해서 시험결과와 비교하였다.
수명 모델을 다른 칩저항 실장 유·무연 솔더 시험 결과에 적용하기 위해서, 유한요소 모델을 개발하고 시험 온도사이클 조건을 적용하였다.
본 논문에서는 개발된 수명모델에 대한 검증 연구를 수행하였다. 타 연구의 시험결과(NCMS 연구결과)에 대해서 개발된 수명모델을 적용하여 예측된 예측수명과 실험치 수명을 비교하였다. 수명 모델을 다른 칩저항 실장 유·무연 솔더 시험 결과에 적용하기 위해서, 유한요소 모델을 개발하고 시험 온도사이클 조건을 적용하였다.

대상 데이터

모델은 1/4 대칭모델이며 모델링은 상용프로그램인 ANSYS를 사용하였다. 사용된 총 요소 수는 9,432개이며 모델은 요소 수에 대한 결과 수렴성을 확인 후 결정하였다. 칩저항은 1206 타입으로 가로 세로 크기가 각각 3.

이론/모형

2에 제시되어 있다. 점소성 재료인 솔더의 경우에는 통합형 점소성 모 델 중 하나인 Anand 모델⁽¹⁰⁾을 사용하였다. 사용 된 Anand 모델의 재료상수는 Table 3과 같다.
실제 조건에서는 유·무연 솔더 수명이 어떤지 비교하기 위해, IEC 60721-3-7(16)에 정의된 휴대기기의 실제 온도 조건인 70°C ~ -40°C 온도 사이클 조건을 개발된 수명모델에 적용하였다.
1과 같이 유한요소 모델링하였다. 모델은 1/4 대칭모델이며 모델링은 상용프로그램인 ANSYS를 사용하였다. 사용된 총 요소 수는 9,432개이며 모델은 요소 수에 대한 결과 수렴성을 확인 후 결정하였다.

성능/효과

유연솔더의 경우에 는 시험결과가 8,911 사이클이고 예측결과는 8,943 사이클로 예측 오차는 –0.4%이며, 무연솔더의 경우에는 시험결과 4,679 사이클, 예측결과 3,781 사이클로 예측 오차는 19.2%이다.
결과가 Fig. 7에서 비교 되어 있듯이 NCMS 시험의 경우 가속 조건에서는 무연솔더(3,781)가 유연솔더(8,943) 보다 수명이 짧았으나 실제 조건에서는 무연솔더(7.75e+10)가 유연솔더(1.87e+5) 보다 수명이 긴 것으로 예측되었다.
예측된 수명과 시험결과를 비교한 결과 유연솔더에서 –0.4%, 무연솔더에서 19.2% 정도의 예측 오차를 보였다.
2% 정도의 예측 오차를 보였다. 검증 결과로부터 개발된 칩저항 실장용 솔더 수명예측모델은 적절한 수준에서 수명예측이 가능하다고 할 수 있다. 또한, NCMS 시험의 경우 가속조건에서 무연솔더가 유연솔더보다 수명이 짧았으나 실제조건에서는 무연솔더가 유연솔더보다 긴 것으로 예측되어 무연솔더의 가속계수가 유연솔더의 가속계수보다 큼을 알 수 있었다.
검증 결과로부터 개발된 칩저항 실장용 솔더 수명예측모델은 적절한 수준에서 수명예측이 가능하다고 할 수 있다. 또한, NCMS 시험의 경우 가속조건에서 무연솔더가 유연솔더보다 수명이 짧았으나 실제조건에서는 무연솔더가 유연솔더보다 긴 것으로 예측되어 무연솔더의 가속계수가 유연솔더의 가속계수보다 큼을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 유연솔더를 대체하면서 생긴 문제는 무엇인가?	기존의 유연솔더를 대체하기 위해 납이 없는 무 연솔더(Pb-free solder, 대표적 조성으로 SnAgCu) 개발 연구가 진행되면서 무연솔더의 상대적 높은 융점 등에 의해 전자부품 실장에 관련된 신뢰성 문제가 야기되었다. 무연솔더의 유연솔더 대체 가능성을 신뢰성면에서 증명하기 위하여 많은 비교 시험과 연구가 수행되었으며, 온도 사이클 가속시험 조건에서 무연솔더의 신뢰성이 유연솔더 이상임을 BGA (Ball Grid Array)와 같은 주요 패키지 형태에 대해서 증명되어 왔다.
	칩저항 수명모델을 적용 시 예측수명과 시험수명의 비교가 필요한 이유는 무엇인가?	칩저항은 가격의 비중 면에서는 전자제품에서 매우 미미한 수준이나 접합 신뢰성면에서는 사용되는 개수가 워낙 많아서 높은 실장 신뢰성이 요구되는 부품이다. 최근 연구에서 온도 사이클 하중에 대해서 칩저항 유·무연 솔더의 수명예측모델을 제안하고 이를 이용하여 다른 패키지와 달리 칩저항에서는 가속시험조건에서 칩저항의 무연솔더가 유연솔더보다 수명이 낮게 나오지만 실제 사용조건에서는 오히려 무연솔더의 수명이 크게 나올 수 있음을 보였다.(3)
	유연솔더는 어디에 사용되는가?	납(Pb)을 기반으로 하는 유연솔더(Pb-based solder, 대표적 조성으로 SnPb)는 많은 기술적, 경제적 장점으로 인해 지난 50년 이상 전자산업에서 전자부품 실장을 위해 사용되어 왔다. 하지만 최근 환경적 유해를 이유로 WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment Directive)나 RoHS (Restriction of Hazardous Substances Directive)와 같은 국제 환경규정에 의해 전자부품에서 납의 사용이 금지되면서 유연솔더가 더 이상 사용될 수 없게 되었다.

참고문헌 (16)

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상세보기
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IEC 60721-3-7, 2002, Classification of Environmental Conditions-Part 3-7: Classification of Groups of Environmental Parameters and Their Severities - Portable and Non-stationary Use, 2nd Ed.

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