[논문]Press-fit 단자 접합특성 및 신뢰성

오상주; 김다정; 홍원식; 오철민

doi:10.6117/kmeps.2019.26.3.063

초록
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전자부품에 대한 보드실장은 아직까지 솔더를 이용한 접합기술을 주로 이용하고 있다. 그러나, 솔더의 크? 및 피로특성으로 인한 접합부 내구한계로, 자동차 전장모듈에서는 반영구적인 접합기술인 프레스 핏(Press-fit) 접합기술 적용을 확대하고 있다. 프레스 핏 접합은 프레스 핏 금속단자를 보드내 쓰루 홀(Through hole)에 기계적으로 삽입하여 체결하는 접합기술로써, 적절한 금속단자의 소성변형으로 쓰루 홀 내부 표면접합을 밀착시킴으로써 강건한 접합을 유도한다. 본 논문에서는 보드내 쓰루 홀 크기 및 표면처리에 따른 프레스 핏 접합 특성 및 신뢰성을 솔더링과 함께 비교하기 위해, 보드 쓰루 홀 크기에 따른 삽입강도 및 삽발강도를 평가하였으며, 열충격 시험을 통한 실시간 저항변화를 통해 프레스 핏 및 솔더링 접합부의 저항변화를 관찰하였다. 또한, 각 접합부위 분석을 통한 프레스 핏 및 솔더링 접합열화를 분석하여 주요 파손모드를 고찰하고자 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Soldering technology has been used in electronic industry for a long time. However, due to solder fatigue characteristics, automotive electronics are searching the semi-permanent interconnection technology such as press-fit method. Press fit interconnection is a joining technology that mechanically ...

Soldering technology has been used in electronic industry for a long time. However, due to solder fatigue characteristics, automotive electronics are searching the semi-permanent interconnection technology such as press-fit method. Press fit interconnection is a joining technology that mechanically inserts a press fit metal terminal into a through hole in a board, and induces a strong bonding by closely contacting the inner surface joining of the through hole by plastic deformation of press-fit terminal. In this paper, the bonding properties of press-fit interconnection are investigated with PCB hole size and surface finishes. In order to compare interconnection reliability between the press fit and soldering, the change in resistance of the press-fit and soldering joints was observed during thermal shock test. After thermal cycling, the failure modes are investigated to reveal the degradation mechanism both press-fit and soldering technology.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. The press-fit test specimen with (a) EoN press-fit terminal and (b) FR-4 PCB board.
그림 Fig. 2. (a) Dog-bone patterning board, (b) Press-fit reliability specimens by soldering press-fit pins each other, and (c) the press-fit pins at different end site to measure the resistance the daisy-chain circuit.
그림 Fig. 3. (a) the intention force and retention force are varied with PCB through holes. Cross-sectional images of press-fit interconnections for (b) 0.9 mm, (c) 1.0 mm, and (d) 1.15 mm hole size of PCB.
그림 Fig. 4. (a) the intention force and retention force are varied with PCB surface finishes. SEM images of inner surface site of PCB hole with (b) immersion Sn, (c) OSP, and (d) ENIG finishes.
그림 Fig. 6. The resistance variation of soldering interconnection on FR-4 board with (a) immersion Sn, (b) OSP, and (c) ENIG finishes.
그림 Fig. 5. (a) Resistance-temperature characteristics during thermal shock test. The resistance variation of press-fit interconnection on FR- 4 board with (b) immersion Sn, (c) OSP, and (d) ENIG finishes.
그림 Fig. 7. Cross-sectional of SEM images for press-fit interconnection on FR-4 board with (b) immersion Sn, (c) OSP, and (d) ENIG finishes after thermal shock test.
그림 Fig. 8. Cross-sectional of optical images for soldering interconnection on FR-4 board with (b) immersion Sn, (c) OSP, and (d) ENIG finishes after thermal shock test.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 일정 크기의 기판 홀에 대해 프레스 핏 크기에 따른 삽입, 삽발 강도 변화 및 기판 표면처리에 따른 삽입, 삽발 강도를 평가하여 그 영향성을 조사하고자 한다.
또한, 열충격 사이클에 따른 실시간 전기적 특성변화를 통해 솔더링 접합과 프레스 핏 접합간의 신뢰성을 비교하며, 고장이 발생한 프레스 핏 접합부위를 관찰하여 그 열화모드를 규명하고자 하였다.

가설 설정

3. (a) the intention force and retention force are varied with PCB through holes. Cross-sectional images of press-fit interconnections for (b) 0.

제안 방법

OSP 표면처 리한 기판의 시료인 경우에는 프레스 핏 접촉부위에서는 균열을 관찰하지 못하였으며, 간헐적으로 기판 Cu 내층에서 균열이 진행되는 것을 관찰하였다(Fig.
Tohmyoh 등은 서도 다른 형태의 프레스 핏에 대한 물성치를 실험으로 구한 후, 프레스 핏 단자 삽입으로 인한 기판 홀의 응력 및 변형을 해석하였다.
산업계에서 사용되는 최소 홀 사양인 0.94mm 홀 크기를 가진 기판에 대해 표면처리를 ImmersionSn(Sn 두께 - 1.0 µm), OSP(Organic Solderability ) 그리고 ENIG(Electroless Nickel Immserion Gold, Ni 두께 - 7.0 µm, Ni 두께 - 0.05 µm)의 3 종류로 나뉘어서 프레스 핏 삽입력 및 삽발력을 평가하였으며, 각 표면 처리별로 기판 홀 내부표면을 주사전자현미경(S-4700, Hitachi)를 이용하여 관찰하였다.
삽입력은 프레스 핏 장비에서 검출되며, 삽발력은 인장강도 지그를 이용한 강도시험기(Dage 4000, Nordon-Dage)를 이용하여 평가하였다.
신뢰성 시험으로 열충격 시험을 진행하였으며, 온도 변화조건은 -40℃ ~ 125℃이며 각 온도별 유지시간은 15분씩 설정하여 3000사이클까지 진행하였다.
열충격 시험 후, 각 시료에 대해 접합부위에 대하여 단면분석을 통한 파손모드를 주사전자현미경 및 광학현미경으로 관찰하였다.

성능/효과

(a)과 같이, 시료내 접촉저항은 고온에서는 상대적으로 높은 저항을 나타내고, 저온에서는 낮은 저항을 나타내는 금속의 온도 저항변화와 같은 경향성을 나타내는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전동기반 전기차 또는 하이브리드전기차가 주목 받는 이유는?	CO2 발생규제에 따른 환경규제 및 에너지 효율향상을 위해 전동기반 전기차 또는 하이브리드전기차가 주목을 받고 있다. 또한, 자율주행 등으로 인하여 첨단 IT기술들이 동시에 접목하면서 자동차의 전장화는 기하급수적으로 가속화되고 있다.
	기계적인 프레스 핏 단자를 이용한 접합기술 연구가 진행 중인 이유는?	전장품에 부품을 실장하는 일반적인 기술은 솔더링 (Soldering)으로써, 솔더 소재를 사용하여 적절한 온도로 높혀 전자부품을 보드에 실장하였다. 1) 그러나, 기존 접합 기술인 솔더링은 솔더 소재의 크립(Creep)변형 및 전자부품, 보드간 열팽창 계수에 의한 열기계적 변형에 의한 파손2-5) 이 발생될 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 기계적인 프레스 핏 단자를 이용한 접합기술 연구가 진행 중에 있다.
	프레스 핏 접합이란?	그러나, 솔더의 크? 및 피로특성으로 인한 접합부 내구한계로, 자동차 전장모듈에서는 반영구적인 접합기술인 프레스 핏(Press-fit) 접합기술 적용을 확대하고 있다. 프레스 핏 접합은 프레스 핏 금속단자를 보드내 쓰루 홀(Through hole)에 기계적으로 삽입하여 체결하는 접합기술로써, 적절한 금속단자의 소성변형으로 쓰루 홀 내부 표면접합을 밀착시킴으로써 강건한 접합을 유도한다. 본 논문에서는 보드내 쓰루 홀 크기 및 표면처리에 따른 프레스 핏 접합 특성 및 신뢰성을 솔더링과 함께 비교하기 위해, 보드 쓰루 홀 크기에 따른 삽입강도 및 삽발강도를 평가하였으며, 열충격 시험을 통한 실시간 저항변화를 통해 프레스 핏 및 솔더링 접합부의 저항변화를 관찰하였다.

참고문헌 (9)

K. Suganuma, "Advances in lead-free electronics soldering", Curr. Opin. Solid State Mater. Sci., 5, 55 (2001).

상세보기
E. H. Wong, "A new creep fatigue model of solder joints", Microelectron. Reliab., 98, 153 (2019).

상세보기
B. Lee, C. Oh, H. Kwak, T. Kim, H. Yun, and J. Yoon, "Optimization of Soldering Process of Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-3.0Ag-0.7Cu-1.6Bi-0.2In Alloys for Solar Combiner Junction Box Module", J. Microelectron. Packag. Soc., 25(3), 13 (2018).
S. Ahn, K. Choi, D. Park, G. Jeong, S. Baek, and Y. Ko, "Properties of Lead-free Solder Joints on Flexible Substrate for Automotive Electronics", J. Microelectron. Packag. Soc., 25(2), 25 (2018).
W. Engelmaier, "Fatigue life of leadless chip carrier solder joint during power cycling", IEEE Trans. Compon., Hybrids, Manuf. Technol., 6, 232 (1983).

상세보기
J. Mattsson, T. Callies, and B. Kerckhof, "Press-Fit Technology", (Aug. 26, 2019) from https://www.te.com/content/dam/te-com/documents/automotive/global/whitepaper-pressfit-072014.pdf
H. Tohmyoh, K. Yamanobe, M. Sake, J. Utsunomiya, T. Nakamura, and Y. Nakano, "Analysis of Solderless Press-Fit Interconnections during the Assembly Process", J. Electron. Packag., 130, 031007-1(2008).

상세보기
T. Manninen, K. Kanervo, A. Revuelta, J. Larkiola, and A. S. Korhonen, "Plastic deformation of solderless press-fit connectors", Mater. Sci. Eng. A., 460, 633 (2007).
S. Lewis, A. Bekele, and T. Tike, "Characterization Study of Strain Generated during Press-fit Connector Insertion in Printed Circuit Board Assembly", Proc. SMTA International, 734 (2016).

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