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신뢰성 수명예측 도구 Sherlock을 활용한 랜덤진동에서의 BGA 및 TSSOP 솔더 접합부의 구조 신뢰성 평가
Structural Reliability Evaluation on Solder Joint of BGA and TSSOP Components under Random Vibration using Reliability and Life Prediction Tool of Sherlock 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.45 no.12, 2017년, pp.1048 - 1058  

Park, Tae-Yong (Department of Aerospace Engineering, Chosun University) ,  Park, Jong-Chan (Korea Aerospace Research Institute(KARI)) ,  Park, Hoon (Danam Systems Inc.) ,  Oh, Hyun-Ung (Department of Aerospace Engineering, Chosun University)

초록
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우주용 전장품의 주요 고장 메커니즘 중 하나는 발사진동에 의한 기판의 반복적인 굽힘에 의한 솔더 접합부 피로파괴이며, 상기의 잠재적 위험요소에 대해 피로수명 평가를 통한 조기진단의 필요성이 증대되고 있다. 종래 연구에서 제안된 솔더부 수명예측 기법은 실장기법이 달라지면 예측결과의 정확성을 장담할 수 없으며, 다수의 실장기법이 적용된 고집적 기판의 유한요소모델 구축에 많은 시간과 노력이 수반되는 단점이 있다. 본 연구에서는 기존 연구의 한계점 극복을 위해 우주용 전장품 구조 신뢰성 평가의 새로운 접근법으로 상용 신뢰성 수명예측 도구인 Sherlock을 이용한 기판의 수명예측을 실시하고 발사진동 수명시험을 통해 분석결과의 타당성을 검증하였다. 또한 전자소자 및 솔더 높이에 따른 피로수명 영향성 분석을 통해 Sherlock이 우주용 전장품의 구조 신뢰성 평가에 있어서 유용한 도구임을 입증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

One of the failure mechanism of spaceborne electronics is a fatigue fracture on solder joint under launch random vibration. Thus, a necessity of early diagnosis through the fatigue life evaluation on solder joint arises to prevent such potential risk of failure. The conventional life prediction meth...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 소자를 기판에 조립하는 제작 공정에 따라 솔더의 형상에 다소 차이가 있을 수 있으며, 특히 솔더의 높이가 발사진동에서의 구조 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 연구에서는 U5 소자를 대상으로 BGA 솔더 볼 어레이의 높이 변화에 따른 발사진동 수명분석을 실시하였다. Fig.
  • Sherlock의 경우, 고장물리 (PoF: Physics of Failure)에 기초하여 실제 탑재 전자부품의 실장구조에 기인한 고장 메커니즘 별 고 신뢰도 수명 예측 및 다양한 기술적 분석이 가능할 것으로 판단되나 국내 우주분야에서 거의 알려져 있지 않은 상황이다. 본 연구에서는 우주용 전장품의 예시로 선정된 PCB시편에 대하여 상기의 Sherlock을 활용하여 발사 진동환경에 대한 솔더 접합부의 피로수명 예측을 실시하였다. 또한 상기 수명예측 결과의 타당성 검토를 위해 PCB 시편의 발사진동 수명시험을 실시하고 전자소자 실장기법 및 장착위치에 따른 피로수명 및 솔더접합부 단면 분석을 실시하였다.
  • 최종적으로 솔더접합부의 높이에 따른 피로수명 영향 분석을 수행하였다. 이를 통해 Sherlock이 우주용 전장품의 구조 신뢰성 분석에 있어서 유용한 활용 가능성 및 피로수명 예측의 유효성을 검토하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
우주용 전장품의 주요 고장 메커니즘 중 하나는 무엇인가? 우주용 전장품의 주요 고장 메커니즘 중 하나는 발사진동에 의한 기판의 반복적인 굽힘에 의한 솔더 접합부 피로파괴이며, 상기의 잠재적 위험요소에 대해 피로수명 평가를 통한 조기진단의 필요성이 증대되고 있다. 종래 연구에서 제안된 솔더부 수명예측 기법은 실장기법이 달라지면 예측결과의 정확성을 장담할 수 없으며, 다수의 실장기법이 적용된 고집적 기판의 유한요소모델 구축에 많은 시간과 노력이 수반되는 단점이 있다.
솔더부 수명예측 기법의 단점은 무엇인가? 우주용 전장품의 주요 고장 메커니즘 중 하나는 발사진동에 의한 기판의 반복적인 굽힘에 의한 솔더 접합부 피로파괴이며, 상기의 잠재적 위험요소에 대해 피로수명 평가를 통한 조기진단의 필요성이 증대되고 있다. 종래 연구에서 제안된 솔더부 수명예측 기법은 실장기법이 달라지면 예측결과의 정확성을 장담할 수 없으며, 다수의 실장기법이 적용된 고집적 기판의 유한요소모델 구축에 많은 시간과 노력이 수반되는 단점이 있다. 본 연구에서는 기존 연구의 한계점 극복을 위해 우주용 전장품 구조 신뢰성 평가의 새로운 접근법으로 상용 신뢰성 수명예측 도구인 Sherlock을 이용한 기판의 수명예측을 실시하고 발사진동 수명시험을 통해 분석결과의 타당성을 검증하였다.
표면실장형의 고집적 IC 소자가 적용된 이후 결과는 어떠한가? 최근 우주개발 분야에서는 위성의 임무능력 향상과 함께 발사비용 절감을 위해 가능한 탑재 전장품의 성능을 비롯해 공간 활용도를 극대화하고자 전장품 PCB 기판에 BGA(Ball Grid Array) 패키지 및TSOP(Thin Small Outline Package) 등 표면실장형의 고집적 IC 소자가 적용되기 시작했다[1-3]. 이는 종래 우주용 전장품에 적용되어 왔던 DIP(DualIn-line Package) 및 PGA(Pin Grid Array)등 관통실장형에 비해 고집적도를 비롯해 기판 양면을 모두 활용 가능한 장점으로 우주임무에 활발하게 적용되고 있다.
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참고문헌 (14)

  1. Kim, Y. K, and Hwang, D. S., "PBGA Packaging Reliability Assessments under Random Vibrations for Space Applications", Microelectronics Reliability, Vol. 55 No. 1, 2015, pp. 172-179. 

  2. Lee, S. S., Park, T. W., Seo, J. H., Han S. W., and Kim, S. H., "Structural Vibration Analysis of Electronic Equipment for Satellite under Launch Environment", Key Engineering Materials, Vols. 270-273, 2004, pp. 1440-1445. 

  3. Oh, H. U., Jeon S. H., and Kwon, S. C., "Structural Design and Analysis of 1U Standardized STEP Cube Lab for On-Orbit Verification of Fundamental Space Technologies", International Journal of Materials, Mechanics and Manufacturing, Vol. 2 No. 3, 2014, pp. 239-244. 

  4. Steinberg, D. S., Vibration Analysis for Electronic Equipment, Wiley-Interscience Publication, New York, 2000 

  5. Yu, D., Al-Yafawi, A., Nguyen, T. T., Park S., and Chung, S., "High Cycle Fatigue Life Prediction for Pb-free BGA under Random Vibration Loading", Microelectronics Reliability, Vol. 51, 2011, pp. 649-656 

  6. Mathew, S., Das, D., Osterman, M., and Pecht, M., "Virtual Remaining Life Assessment of Electronic Hardware Subjected to Shock and Random Vibration Life Cycle Loads", Journal of the Institute of Environmental Sciences and Technology, Vol. 50 No. 1, 2007, pp. 86-97 

  7. Cinar, Y., Jang, J., Jang, G., Kim, S., and Jang, J., "Effect of Solder Pads on the Fatigue Life of FBGA Memory Modules under Harmonic Excitation by using A Global-local Modeling Technique", Microelectronics Reliability, Vol. 53, 2013, pp. 2043-2051 

  8. http://www.dfrsolutions.com/ 

  9. G. Caswell, "17 Equations That Changed the World-There's More Than That!!! Part-1", http://www.dfrsolutions.com/hubfs/17-Equations-that-Changed-the-World-Part-II.pdf?t1493389984552 

  10. Joint IPC/JEDEC Standards(IPC/JEDEC-9704A): Printed Circuit Assembly Strain Gage Test Guideline 

  11. IPC Standards(IPC-9701A), Performance Test Methods and Qualification Requirements for Surface Mount Solder Attachments 

  12. IPC Standards(IPC-SM-785), Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount Solder Attachments 

  13. Qi, H., Plaza, G., Ganesan, S., Osterman, M., and Pecht, M., "Reliability Assessment on Insertion Mount Assembly under Vibration Conditions," Proceedings of 57th IEEE Electronic Components and Technology Conference, 2007, pp. 407-414 

  14. Lau, J. H., Hoo, N., Horsley, R., Smetana, J., Shangguan, D., Dauksher, D. Love, Menis, I., and Sullivan, B., "Reliability Testing and Data Analysis of Lead-Free Solder Joints for High-density Packages," Soldering & Surface Mount Technology, Vol. 16 No. 2, 2004, pp. 46-68. 

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