Purpose: The purpose of this study is main factors (environmental conditions, pattern spacing, pattern material) that effect the ion-migration of PCB. Methods: Recently, the electronic components are becoming more high density of electronic device, so that electronic circuits have smaller pitches be...
Purpose: The purpose of this study is main factors (environmental conditions, pattern spacing, pattern material) that effect the ion-migration of PCB. Methods: Recently, the electronic components are becoming more high density of electronic device, so that electronic circuits have smaller pitches between the patten and more vulnerable to insulation failure. so the reliability of electric insulation of device has become an ever important issue as device contact pitches of pattern. Usually, ion-migration occurs in high temperature and high humidity environment as voltage is applied to the circuit. Under high temperature and high humidity, voltage applied electronic components respond to applied voltages by metals's electrochemical ionization and a conducting filament forms between the anode and cathode across a nonmetallic medium. This leads to short-circuit failure of the electronic component. Results: we studied ion-migration that occurs in accordance with the main factors (environmental conditions, pitches, pattern material). The PCB pattern material was made by two different types of material (free solder, OSP) for this research and pitches of pattern is 0.15mm, 0.3mm, 0.5mm. PCB was experimented in the environmental conditions (high temperature $120^{\circ}C$, high temperature and high humidity $85^{\circ}C$, 85%RH) and was analyzed for ion-migration through the experiment results. Conclusion: We confirmed that environmental condition, pitches of pattern, pattern material had effect on ion-migration of PCB.
Purpose: The purpose of this study is main factors (environmental conditions, pattern spacing, pattern material) that effect the ion-migration of PCB. Methods: Recently, the electronic components are becoming more high density of electronic device, so that electronic circuits have smaller pitches between the patten and more vulnerable to insulation failure. so the reliability of electric insulation of device has become an ever important issue as device contact pitches of pattern. Usually, ion-migration occurs in high temperature and high humidity environment as voltage is applied to the circuit. Under high temperature and high humidity, voltage applied electronic components respond to applied voltages by metals's electrochemical ionization and a conducting filament forms between the anode and cathode across a nonmetallic medium. This leads to short-circuit failure of the electronic component. Results: we studied ion-migration that occurs in accordance with the main factors (environmental conditions, pitches, pattern material). The PCB pattern material was made by two different types of material (free solder, OSP) for this research and pitches of pattern is 0.15mm, 0.3mm, 0.5mm. PCB was experimented in the environmental conditions (high temperature $120^{\circ}C$, high temperature and high humidity $85^{\circ}C$, 85%RH) and was analyzed for ion-migration through the experiment results. Conclusion: We confirmed that environmental condition, pitches of pattern, pattern material had effect on ion-migration of PCB.
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문제 정의
또한 환경에 따른 절연파괴 및 이온-마이그레이션 현상을 재현 및 검증하기 위해서 시험의 환경온도 조건을 습도가 없는 고온 조건 120℃와 고온다습 조건 85℃, 85% RH로 설정하였으며, DC 50V의 전압을 인가하였다. 그리고 실험 결과를 통해 패턴 간격 및 금속성분, 환경조건이 PCB 이온-마이그레이션 발생에 주요요인들이 어떠한 영향을 미치는지를 확인하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 PCB에서 발생하는 이온-마이그레이션 현상의 주요요인을 확인하기 위하여 패턴간격 및 금속성분이 다른 PCB를 제작하였고, 고온 및 고온다습 환경에서 실험하였고, 실험결과를 통해 PCB의 패턴 재질 및 간격, 환경조건이 이온-마이그레이션 발생의 주요 요인임을 확인하였다. 추후 습도 및 전압에 대한 단계별 시험을 추가한다면 PCB의 이온-마이그레이션에 대한 고장 및 신뢰성평가를 위한 중요 자료로 활용이 가능할 것이다.
따라서 본 논문에서는 선행연구 등을 통해 일반적으로 알려져 있는 PCB에 발생하는 이온-마이그레이션 현상의 주요요인들이 실제 어떠한 영향을 미치는지를 확인하기 위하여 패턴간격 및 금속성분이 다른 PCB를 제작하여 고온 및 고온다습 환경에서 실험하였다[3]. 실험에 사용된 PCB는 최근 친환경적인 이유로 많이 사용되는 무연납 패턴을 실장한 PCB와 OSP(Organic Solderability Preservative)패턴을 실장한 PCB로 각각 제작하였으며, 패턴 간격이 미치는 영향을 확인하기 위하여 0.
본 논문에서는 PCB에서 발생하는 이온-마이그레이션 현상의 주요요인을 확인하기 위하여 패턴간격 및 금속성분이 다른 PCB를 제작하여 고온 및 고온다습 환경에서 실험하였다. 실험에 사용된 PCB는 무연납 패턴을 실장한 PCB와 OSP(Organic Solderability Preservative)패턴을 실장한 PCB로 각각 제작하였고, 패턴간격이 미치는 영향을 확인하기 위하여 0.
최근 전자제품의 소형 · 경량화 및 전자 부품의 고밀도 및 고집적화 됨에 따라 PCB 절연의 내구성 및 신뢰성이 큰 문제로 대두 되고 있다. 본 논문에서는 PCB의 절연 파괴의 요인 중 하나인 이온-마이그레이션 발생의 주요요인에 대해 연구하였다. 이온-마이그레이션은 PCB 패턴극간에 수분이 흡착된 상태에서 전계가 인가될 경우, 한쪽의 전극에서 다른 한쪽의 전극으로 금속이온이 이동하여 금속 화합물이 석출되어 극간의 단락 및 탄화현상으로 인한 절연파괴 등의 현상을 의미하는 것으로 최근 소형․경량화를 위해 패턴간격이 좁은 PCB 기판의 절연파괴를 유발하여 PCB 절연파괴의 주요 요인이 되고 있다[1].
2]와 같이 회로간 단락에 의한 탄화를 유발하여 전자기기에 치명적인 고장을 일으키기도 한다. 본 논문에서는 일반적으로 알려진 패턴 간격 및 금속성분, 환경조건이 PCB의 이온-마이그레이션 발생의 주요 요인임을 검증하고자 실험하였다.
제안 방법
실험의 조건은 [Table 1]과 같이 고온 120℃, 고온다습 85℃, 85% R. H. 조건에서 1,000시간 동안 50V의 전원을 인가하여 IEC 60319 규격의 24h, 48h, 96h, 168h, 336h, 672h, 1,000h의 시간 간격으로 절연저항 측정 및 육안검사를 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 PCB 기판은 [Fig. 3]과 같이 무연납 패턴과 OSP 패턴으로 제작하였으며, PCB 패턴별 간격은 0.15mm, 0.3mm, 0.5mm로 각각 5개씩 제작하였다.
본 논문에서는 PCB에서 발생하는 이온-마이그레이션 현상의 주요요인을 확인하기 위하여 패턴간격 및 금속성분이 다른 PCB를 제작하여 고온 및 고온다습 환경에서 실험하였다. 실험에 사용된 PCB는 무연납 패턴을 실장한 PCB와 OSP(Organic Solderability Preservative)패턴을 실장한 PCB로 각각 제작하였고, 패턴간격이 미치는 영향을 확인하기 위하여 0.15 mm, 0.3mm, 0.5mm 세 종류의 패턴간격으로 제작하였다. 또한 환경에 따른 절연파괴 및 이온-마이그레이션 현상을 재현 및 검증하기 위해서 시험의 환경온도 조건을 습도가 없는 고온조건 120℃와 고온다습 조건 85℃, 85% RH로 설정하였으며, 제작된 PCB에 50V의 전압을 인가하였다.
따라서 본 논문에서는 선행연구 등을 통해 일반적으로 알려져 있는 PCB에 발생하는 이온-마이그레이션 현상의 주요요인들이 실제 어떠한 영향을 미치는지를 확인하기 위하여 패턴간격 및 금속성분이 다른 PCB를 제작하여 고온 및 고온다습 환경에서 실험하였다[3]. 실험에 사용된 PCB는 최근 친환경적인 이유로 많이 사용되는 무연납 패턴을 실장한 PCB와 OSP(Organic Solderability Preservative)패턴을 실장한 PCB로 각각 제작하였으며, 패턴 간격이 미치는 영향을 확인하기 위하여 0.15mm, 0.3mm, 0.5mm 패턴간격으로 PCB를 각각 5개씩 제작하였다. 또한 환경에 따른 절연파괴 및 이온-마이그레이션 현상을 재현 및 검증하기 위해서 시험의 환경온도 조건을 습도가 없는 고온 조건 120℃와 고온다습 조건 85℃, 85% RH로 설정하였으며, DC 50V의 전압을 인가하였다.
성능/효과
실험결과 고온조건에서 실험한 PCB는 패턴간격에 따라 약간의 차이는 있었지만 무연납과 OSP 패턴을 실장한 PCB 모두 초기대비 큰 변화는 관측되지 않았다. 고온다습조건에서 실험한 경우 무연납과 OSP 패턴을 실장한 PCB 모두 패턴간격이 좁을수록 더 빠른 시간에 절연파괴가 일어났으며, 무연납보다 OSP가 더 빠른 시간에 절연이 파괴됨을 확인 할 수 있었다. 또한 절연이 파괴된 PCB는 모두 이온-마이그레이션에 의한 탄화흔이 발견되었으며, 이러한 탄화흔은 무연납에 비해 OSP에서 더 많이 관측되었다.
또한 환경에 따른 절연파괴 및 이온-마이그레이션 현상을 재현 및 검증하기 위해서 시험의 환경온도 조건을 습도가 없는 고온조건 120℃와 고온다습 조건 85℃, 85% RH로 설정하였으며, 제작된 PCB에 50V의 전압을 인가하였다. 실험결과 고온조건에서 실험한 PCB는 패턴간격에 따라 약간의 차이는 있었지만 무연납과 OSP 패턴을 실장한 PCB 모두 초기대비 큰 변화는 관측되지 않았다. 고온다습조건에서 실험한 경우 무연납과 OSP 패턴을 실장한 PCB 모두 패턴간격이 좁을수록 더 빠른 시간에 절연파괴가 일어났으며, 무연납보다 OSP가 더 빠른 시간에 절연이 파괴됨을 확인 할 수 있었다.
두 종류의 PCB를 각각 비교해보면 무연납 PCB에는 오직 한 부분에서만 이온-마이그레이션 발생에 의한 단락으로 PCB 패턴사이에 발생한 탄화흔이 관측되었고, OSP PCB에서는 다수의 이온-마이그레이션에 의한 탄화흔이 관측되었다. 이러한 실험결과는 고온다습 환경 내에서 전원이 인가될 경우 전도성이 높은 재질로 이루어진 OSP(주성분 : Cu)가 무연납(주성분 : Sn)에 비해 이온-마이그레이션 현상이 더 활발히 진행되는 것을 확인 할 수 있었다.
또한 절연이 파괴된 PCB는 모두 이온-마이그레이션에 의한 탄화흔이 발견되었으며, 이러한 탄화흔은 무연납에 비해 OSP에서 더 많이 관측되었다. 이러한 실험결과를 통해 고온의 환경에 비해 고온다습 환경 내에서 전원이 인가될 경우 PCB의 절연열화가 더 급격히 진행됨을 확인 할 수 있었고, 전도성이 높은 재질로 이루어진 OSP(주성분: Cu)가 무연납(주성분: Sn)에 비해 이온-마이그레이션 현상이 더 활발히 진행되는 것을 확인 할 수 있었다.
후속연구
따라서 본 논문에서는 PCB에서 발생하는 이온-마이그레이션 현상의 주요요인을 확인하기 위하여 패턴간격 및 금속성분이 다른 PCB를 제작하였고, 고온 및 고온다습 환경에서 실험하였고, 실험결과를 통해 PCB의 패턴 재질 및 간격, 환경조건이 이온-마이그레이션 발생의 주요 요인임을 확인하였다. 추후 습도 및 전압에 대한 단계별 시험을 추가한다면 PCB의 이온-마이그레이션에 대한 고장 및 신뢰성평가를 위한 중요 자료로 활용이 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PCB의 절연 파괴의 요인은 무엇인가?
최근 전자제품의 소형 · 경량화 및 전자 부품의 고밀도 및 고집적화 됨에 따라 PCB 절연의 내구성 및 신뢰성이 큰 문제로 대두 되고 있다. 본 논문에서는 PCB의 절연 파괴의 요인 중 하나인 이온-마이그레이션 발생의 주요요인에 대해 연구하였다. 이온-마이그레이션은 PCB 패턴극간에 수분이 흡착된 상태에서 전계가 인가될 경우, 한쪽의 전극에서 다른 한쪽의 전극으로 금속이온이 이동하여 금속 화합물이 석출되어 극간의 단락 및 탄화현상으로 인한 절연파괴 등의 현상을 의미하는 것으로 최근 소형․경량화를 위해 패턴간격이 좁은 PCB 기판의 절연파괴를 유발하여 PCB 절연파괴의 주요 요인이 되고 있다[1].
이온-마이그레이션 현상을 일으키는 주요 요인을 파악하기 힘든 이유는?
이온-마이그레이션 현상을 일으키는 주요 요인으로는 습도, 온도, 패턴의 극간의 간격, 금속의 성분 등의 환경적 요소들에 의존한다. 하지만 실제 필드에서는 작은 충격에도 사라져버리는 이온-마이그레이션의 관측이 어렵기 때문에 정확한 발생요인을 파악하기가 어렵다[2].
이온-마이그레이션 현상을 일으키는 주요 요인은 무엇인가?
이온-마이그레이션은 PCB 패턴극간에 수분이 흡착된 상태에서 전계가 인가될 경우, 한쪽의 전극에서 다른 한쪽의 전극으로 금속이온이 이동하여 금속 화합물이 석출되어 극간의 단락 및 탄화현상으로 인한 절연파괴 등의 현상을 의미하는 것으로 최근 소형․경량화를 위해 패턴간격이 좁은 PCB 기판의 절연파괴를 유발하여 PCB 절연파괴의 주요 요인이 되고 있다[1]. 이온-마이그레이션 현상을 일으키는 주요 요인으로는 습도, 온도, 패턴의 극간의 간격, 금속의 성분 등의 환경적 요소들에 의존한다. 하지만 실제 필드에서는 작은 충격에도 사라져버리는 이온-마이그레이션의 관측이 어렵기 때문에 정확한 발생요인을 파악하기가 어렵다[2].
참고문헌 (4)
Hang, S. M., Jung, Y. B., Kim, C. H. and Lee, K. H. (2012). "Acceleration Test of Ion Migration in FR-4 PCB Plated with Sn". Journal of Applied Reliability, Vol. 12, No. 3, pp. 158-163.
Tsukui, T. (2000). "Reliability Analysis with Ionic Migration Generating on Print siring Boards". Journal of The Surface Finishing Society of Japan, Vol. 51, No. 5, pp. 473-478.
Jang, I. H. et al. (2016). "Ion-migration reproduction & analysis of the PCB according to the environmental conditions". KIEE Summer Conference, pp. 1151-1152.
Lee, D. B. et al. (2005). "Acceleration Test of Ion Migration for PCB Electronic Reliability Evaluation". Journal of the Korean Society for System Engineering, Vol. 9, No. 1, pp. 64-69.
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