다양한 산업분야에서 전자기판과 전장품의 기계적 체결을 위해 적용되는 웨지락(Wedge Lock)은 우주용 전장품에서도 장·탈착 용이성, 발사진동저감 효과 때문에 폭넓게 적용되고 있다. 그러나 기판의 가장자리에만 제한적으로 구속 가능한 장착 조건 때문에 기판의 크기가 증가할수록 극심한 발사환경에서의 굽힘거동에 의한 전자소자 솔더부의 피로수명 보장에 한계가 존재한다. 종래에는 상기 굽힘거동 최소화를 위해 기판에 별도의 보강재를 적용하였으나, 이는 전장품의 무게 및 부피증가가 불가피하다. 본 연구에서는 상기 한계점을 극복하고자, FR-4 재질의 박판을 기판의 배면부에 다층으로 적층하고, 각 층간에 점탄성 테이프를 적용하여 발사환경에서 소자의 피로수명 확보에 유리한 고댐핑 적층형 전자기판을 제안하였다. 본 적층형 기판의 설계 유효성 검증을 위해 상이한 온도조건에 따른 자유감쇠시험 및 인증 수준의 발사진동시험을 수행하였으며, 시험 결과에 기반한 고집적화 소자의 피로수명을 예측하였다.
다양한 산업분야에서 전자기판과 전장품의 기계적 체결을 위해 적용되는 웨지락(Wedge Lock)은 우주용 전장품에서도 장·탈착 용이성, 발사진동저감 효과 때문에 폭넓게 적용되고 있다. 그러나 기판의 가장자리에만 제한적으로 구속 가능한 장착 조건 때문에 기판의 크기가 증가할수록 극심한 발사환경에서의 굽힘거동에 의한 전자소자 솔더부의 피로수명 보장에 한계가 존재한다. 종래에는 상기 굽힘거동 최소화를 위해 기판에 별도의 보강재를 적용하였으나, 이는 전장품의 무게 및 부피증가가 불가피하다. 본 연구에서는 상기 한계점을 극복하고자, FR-4 재질의 박판을 기판의 배면부에 다층으로 적층하고, 각 층간에 점탄성 테이프를 적용하여 발사환경에서 소자의 피로수명 확보에 유리한 고댐핑 적층형 전자기판을 제안하였다. 본 적층형 기판의 설계 유효성 검증을 위해 상이한 온도조건에 따른 자유감쇠시험 및 인증 수준의 발사진동시험을 수행하였으며, 시험 결과에 기반한 고집적화 소자의 피로수명을 예측하였다.
Wedge locks have been widely used for spaceborne electronics for mounting or removal of a printed circuit board (PCB) during integration, test and maintenance process. However, it can basically provide a mechanical constraint on the edge of the board. Thus, securing a fatigue life of solder joint fo...
Wedge locks have been widely used for spaceborne electronics for mounting or removal of a printed circuit board (PCB) during integration, test and maintenance process. However, it can basically provide a mechanical constraint on the edge of the board. Thus, securing a fatigue life of solder joint for electronic package by limiting board deflection becomes difficult as the board size increases. Previously, additional stiffeners have been applied to reduce the board deflection, but the mass and volume increases of electronics are unavoidable. To overcome the aforementioned limitation, we proposed an application of multi-layered PCB sheet with viscoelastic adhesive tapes to implement high-damping capability on the board. Thus, it is more advantageous in securing the fatigue life of package under launch environment compared with the previous approach. The basic characteristics of the PCB with the multi-layered sheet was investigated through free-vibration tests at various temperatures. The effectiveness of the proposed design was validated through launch vibration test at qualification level and fatigue life prediction of electronic package based on the test results.
Wedge locks have been widely used for spaceborne electronics for mounting or removal of a printed circuit board (PCB) during integration, test and maintenance process. However, it can basically provide a mechanical constraint on the edge of the board. Thus, securing a fatigue life of solder joint for electronic package by limiting board deflection becomes difficult as the board size increases. Previously, additional stiffeners have been applied to reduce the board deflection, but the mass and volume increases of electronics are unavoidable. To overcome the aforementioned limitation, we proposed an application of multi-layered PCB sheet with viscoelastic adhesive tapes to implement high-damping capability on the board. Thus, it is more advantageous in securing the fatigue life of package under launch environment compared with the previous approach. The basic characteristics of the PCB with the multi-layered sheet was investigated through free-vibration tests at various temperatures. The effectiveness of the proposed design was validated through launch vibration test at qualification level and fatigue life prediction of electronic package based on the test results.
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문제 정의
통상 우주용 전장품의 경우, 발사과정에서 구조건전성에 영향이 있을 정도의 강한 진동을 겪는 시간은 수 분에 불과하나, 지상시험에서도 적층 박판에 가해진 진동에 의한 피로 누적이 있기에 시험 또는 실제 발사 중에 층간 박리가 발생할 가능성이 있다. 따라서 본 진동시험은 적층기판의 댐핑 성능과 함께 적층 구조에 대한 피로 측면에서의 구조건전성 입증에 목적을 두고 30분 동안시험을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 소자의 피로수명 측면에서의 신뢰도 보장과 동시에 전장품의 소형화 및 경량화에 기여하고자 점탄성 테이프를 적용한 적층형 구조의 고댐핑 특성에 주목하였다. 상기 고댐핑 특성을 활용한 대표적인 선행연구의 예로, Go et al.
본 연구에서는 웨지락이 적용된 전자기판에 실장된 전자소자의 피로수명 보장과 더불어 기판 조립체의 강성 증가에 기반한 기존 설계방법의 한계점을 극복하고자 고댐핑 적층형 전자기판을 제안하였다. 제안된 적층형 기판은 점탄성 테이프로 기판 배면부에 박판을 다층으로 적층하여 고댐핑 특성을 구현함으로써 중량 및 부피 증가를 최소화함과 동시에 기판의 동적변위 감소에 따른 소자의 피로수명 증가에 효과적인 장점을 갖는다.
본 연구에서는 웨지락이 적용된 전자기판에 장착된 전자소자의 피로수명 보장에 있어서 전술한 보강구조를 적용하는 설계방법에 수반되는 한계점 극복을 위해 기판 자체에 고댐핑 특성을 구현하는 고댐핑 적층형 전자기판을 제안하였다. Fig.
본 연구에서는 일반 전자기판이 구현할 수 없는 수준의 고댐핑 특성을 전자기판에 구현하기 위해 FR-4 재질의 박판을 기판 배면부에 다층으로 적층하고, 박판 사이에 점탄성 테이프를 적용한 적층형 전자기판을 제안하였다. 제안된 적층형 전자기판은 발사환경에서 적층 면 사이의 점탄성 테이프에서 발생하는 마찰로 진동에너지를 산일화 시켜 결과적으로 동적변위 감소에 의한 전자소자의 피로수명 향상이 가능하다.
따라서 일반적인 보강재가 적용되는 기판에 비해 얇은 두께만으로도, 목적하는 피로수명에 대한 신뢰도를 확보할 수 있어 무게 및 부피가 절감된 전장품 설계가 가능하다. 본 적층형 기판의 기본 특성을 파악하기 위해 시편을 제작하고 전장품의 노출이 예상되는 환경 온도 조건에 따른 자유감쇠시험을 수행하였다. 또한, 발사진동환경 하에서 적층형 전자기판의 진동저감성능을 검증하기 위해 우주인증수준의 랜덤진동시험을 수행하였다.
제안 방법
7은 발사진동시험 구성으로Table 2에 제시된 Case 1과 2 시편에 대하여 시험을 진행하였다. 가진 축은 기판이 주로 굽힘거동을 일으키는 방향인 z 축에 대해 수행하였으며, 일정 시간간격으로 측정된 기판의 고유진동수를 모니터링하면서 European Cooperation for Space Standardization (ECSS)에 규정된 고유진동수 변화율인 5% 이내에 대한 만족 여부를 확인하였다[13].
본 연구에서 적층형 기판에 적용된 점탄성 테이프는 소재 특성상 온도조건에 따라 특성이 민감하게 변화할 수 있어 기판의 강성 및 댐핑 특성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 제안된 적층형 기판에 대해 온도조건에 따른 자유감쇠시험을 수행하였다. Fig.
제안된 적층형 전자기판에 적용된 전자소자의 피로수명 증가 측면에서의 유효성 검증을 위해 Case 1과 2 기판의 형상구성 및 시험결과를 토대로 고집적화 소자에 대한 솔더접합부의 피로수명을 예측하여 비교하였다. 또한 Case 2의 피로수명 예측에 있어서 박판 적용에 따라 향상되는 강성 및 댐핑 중 피로수명 연장의 주된 인자가 어떤 것인지를 함께 분석하였다.
제안된 적층형 기판의 온도조건에 따른 자유감쇠시험을 통해 기본 특성을 분석한 결과, 시험온도조건 전반에 걸쳐 적층박판이 적용된 기판이 일반 기판 대비 향상된 감쇠비 및 고유진동수를 나타내었다. 또한 발사진동시험을 통해 적층형 기판의 댐핑 성능 및 박판의 박리 측면에서의 구조건전성을 실험적으로 입증하였다. 최종적으로 고집적화 소자의 피로수명 예측을 통해 적층형 기판이 기존 기판과 비교하여 8.
본 적층형 기판의 기본 특성을 파악하기 위해 시편을 제작하고 전장품의 노출이 예상되는 환경 온도 조건에 따른 자유감쇠시험을 수행하였다. 또한, 발사진동환경 하에서 적층형 전자기판의 진동저감성능을 검증하기 위해 우주인증수준의 랜덤진동시험을 수행하였다. 마지막으로, 상기 시험결과를 토대로 구축한 유한요소모델(Finite Element Model, FEM)을 활용하여 고집적화 소자의 피로수명을 예측하였고, 적층 유무에 따른 피로수명 비교를 통해 설계 유효성을 입증하였다.
또한, 발사진동환경 하에서 적층형 전자기판의 진동저감성능을 검증하기 위해 우주인증수준의 랜덤진동시험을 수행하였다. 마지막으로, 상기 시험결과를 토대로 구축한 유한요소모델(Finite Element Model, FEM)을 활용하여 고집적화 소자의 피로수명을 예측하였고, 적층 유무에 따른 피로수명 비교를 통해 설계 유효성을 입증하였다.
는 파단 주기, b는 피로 강도 지수를 나타낸다. 본 수명예측에서는 선행연구에서 산출된 Sn63-Pb37의 피로 강도 계수 및 피로 강도 지수를 적용하였다[15].
본 연구에서 제안된 적층형 전자기판의 유효성 입증을 위해 Table 4에 제시된 우주인증수준의 발사진동시험을 수행하였다. 통상 우주용 전장품의 경우, 발사과정에서 구조건전성에 영향이 있을 정도의 강한 진동을 겪는 시간은 수 분에 불과하나, 지상시험에서도 적층 박판에 가해진 진동에 의한 피로 누적이 있기에 시험 또는 실제 발사 중에 층간 박리가 발생할 가능성이 있다.
본 연구에서는 박판 적층에 따른 기판의 동적 특성 비교를 목적으로 2가지의 기판 시편을 제작하였으며, 이를 Case 1과 2로 구분하여 Table 2에 제원정보를 나타내었다. 여기서 Case 1은 적층형 박판이 없는 일반 기판이며, Case 2는 박판이 3층 적층된 기판이다.
제안된 적층형 전자기판의 기본 특성 파악을 위해 상온(20°C)에서 각 Case 별 자유감쇠시험을 수행하였다. 시험 시 웨지락의 구속조건을 모사하기 위해 상용 웨지락과 동일한 크기의 브라켓을 활용하여 양단지지(Clamped-Clamped) 조건을 구현하였다. Fig.
제안된 적층형 전자기판에 적용된 전자소자의 피로수명 증가 측면에서의 유효성 검증을 위해 Case 1과 2 기판의 형상구성 및 시험결과를 토대로 고집적화 소자에 대한 솔더접합부의 피로수명을 예측하여 비교하였다. 또한 Case 2의 피로수명 예측에 있어서 박판 적용에 따라 향상되는 강성 및 댐핑 중 피로수명 연장의 주된 인자가 어떤 것인지를 함께 분석하였다.
제안된 적층형 전자기판의 기본 특성 파악을 위해 상온(20°C)에서 각 Case 별 자유감쇠시험을 수행하였다.
본 FEM 구축 시에 적용된 6자유도 구속조건의 경우 구속부의 변위를 허용하지 않아 실제에 비해 과도한 구속력을 제공하기 때문에 모드해석으로부터 산출된 기판의 1차 고유진동수와 Table 3의 시험결과가 10 Hz 가량 차이가 있다. 하지만 본 분석의 목적이 정확한 피로수명 예측이 아닌 Case 별 상대 비교에 목적을 두고 있음에 따라 시험결과와 근사하다 판단하여 상기 FEM을 기반으로 수명예측을 진행하였다.
대상 데이터
기판 표면에 분석대상으로 가정된 PBGA 388 소자가 위치하며 상기 소자에 대한 제원을 Table 5에 나타내었다. 해석모델은 CHEXA 및 CPENTA Solid 요소로 구축되었으며, 기판의 체결부는 체결면적을 6자유도(Tx=Ty=Tz=Rx=Ry=Rz=0) 구속함으로써 모사되었다.
이론/모형
Table 6의 해석결과를 기반으로 Basquin 방정식을 적용하여 각 Case 별 소자의 피로수명을 산출하였다[14]. 상기 방정식은 탄성변형 영역에서 반복적으로 전달되는 하중에 의해 피로파괴가 발생하는 부재의 수명을 예측하는데 사용된다.
성능/효과
이와 같이 Figs. 5와 6의 시험결과로부터 제안된 적층형 기판은 인공위성 및 발사체용 전장품이 발사 중 겪을 수 있는 정도의 온도조건에서는 일반 기판 대비 향상된 강성 및 댐핑 성능이 유지됨을 입증하였다.
그러나 가진 종료 시점에 측정된 고유진동수는 최초 측정된 131 Hz와 차이가 미비하므로, 30분의 진동환경에서는 적층부에 박리가 발생하지 않은 것으로 판단된다. 따라서 전술한 진동시험 결과로부터 제안된 적층형 기판의 댐핑 성능을 입증하였으며, 우주용 전장품이 통상 견뎌야 하는 시간을 상회하는 30분 동안 인증 수준의 진동에 노출되더라도 적층부의 구조건전성에는 문제가 없음을 입증하였다.
상기 분석결과로부터 소자의 피로수명 증가에 있어서 적층형 박판의 적용에 따른 강성 증가보다는 점탄성 테이프 적용에 의한 고댐핑 특성이 더 지배적임을 알 수 있었다. 따라서 전장품의 기계설계 시 소자의 피로수명 보장 측면에서 본 연구에서 제안한 적층형 기판이 기판에 금속 보강재를 적용하던 기존 설계방식 대비 효과적임을 알 수 있다.
따라서 제안된 방식으로 박판을 적층함으로써 기판의 강성 증가와 함께 테이프의 점탄성 특성 및 박판-테이프 층간에 발생하는 마찰로부터 보다 향상된 댐핑 성능 구현이 가능하여 발사환경 하에서의 기판의 변위감소에 있어서 효과적이다.
64 grms인 Case 1보다 24% 저감됨을 알 수 있다. 또한 동적변위로 환산된 상기 가속도 응답에 랜덤진동의 비결정성(Non-deterministic)을 고려하여 가우시안 분포(Gaussian Distribution)의 3 Sigma 값이 적용된 최대 동적변위를 산출한 결과, Case 2가 0.48 mm로 Case 1 대비 약 2배 감소됨을 알 수 있었다.
7배의 피로수명 증가만을 기대할 수 있었다. 상기 분석결과로부터 소자의 피로수명 증가에 있어서 적층형 박판의 적용에 따른 강성 증가보다는 점탄성 테이프 적용에 의한 고댐핑 특성이 더 지배적임을 알 수 있었다. 따라서 전장품의 기계설계 시 소자의 피로수명 보장 측면에서 본 연구에서 제안한 적층형 기판이 기판에 금속 보강재를 적용하던 기존 설계방식 대비 효과적임을 알 수 있다.
[7]은 냉각기 구동 시 발생하는 미소진동 저감과 함께 발사구속장치 없이 효과적인 발사하중 저감이 가능하도록 금속 박판의 블레이드를 점탄성 테이프로 적층하여 고댐핑 특성을 구현한 수동형 진동절연기를 제안하였다. 상기 진동절연기는 적층형 블레이드 적용으로 미소진동저감 성능이 강체조건에 비하여 약 8배 향상되었으며, 인증수준의 발사진동시험에서 인가한 랜덤진동이 약 11배 저감되었다.
시험 결과로부터 적층구조가 적용된 Case 2는 전반적으로 일반 기판인 Case 1 대비 높은 감쇠비를 나타내는 것을 알 수 있으며, 특히 테이프가 유리상태의 특성을 나타내어 감쇠비가 떨어지는 –20°C 조건에서도 적층 기판이 약 2배 높은 감쇠비를 나타내었다.
우선 박판이 없는 Case 1 기판은 3.1 시간이 도출되는 반면, 3층 적층된 Case 2 기판은 박판 적용에 따른 강성 및 댐핑 향상에 따라 소자의 피로수명이 26.5시간으로 Case 1 대비 약 8.5배 증가함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 웨지락이 적용된 전자기판에 실장된 전자소자의 피로수명 보장과 더불어 기판 조립체의 강성 증가에 기반한 기존 설계방법의 한계점을 극복하고자 고댐핑 적층형 전자기판을 제안하였다. 제안된 적층형 기판은 점탄성 테이프로 기판 배면부에 박판을 다층으로 적층하여 고댐핑 특성을 구현함으로써 중량 및 부피 증가를 최소화함과 동시에 기판의 동적변위 감소에 따른 소자의 피로수명 증가에 효과적인 장점을 갖는다. 제안된 적층형 기판의 온도조건에 따른 자유감쇠시험을 통해 기본 특성을 분석한 결과, 시험온도조건 전반에 걸쳐 적층박판이 적용된 기판이 일반 기판 대비 향상된 감쇠비 및 고유진동수를 나타내었다.
제안된 적층형 기판은 점탄성 테이프로 기판 배면부에 박판을 다층으로 적층하여 고댐핑 특성을 구현함으로써 중량 및 부피 증가를 최소화함과 동시에 기판의 동적변위 감소에 따른 소자의 피로수명 증가에 효과적인 장점을 갖는다. 제안된 적층형 기판의 온도조건에 따른 자유감쇠시험을 통해 기본 특성을 분석한 결과, 시험온도조건 전반에 걸쳐 적층박판이 적용된 기판이 일반 기판 대비 향상된 감쇠비 및 고유진동수를 나타내었다. 또한 발사진동시험을 통해 적층형 기판의 댐핑 성능 및 박판의 박리 측면에서의 구조건전성을 실험적으로 입증하였다.
본 연구에서는 일반 전자기판이 구현할 수 없는 수준의 고댐핑 특성을 전자기판에 구현하기 위해 FR-4 재질의 박판을 기판 배면부에 다층으로 적층하고, 박판 사이에 점탄성 테이프를 적용한 적층형 전자기판을 제안하였다. 제안된 적층형 전자기판은 발사환경에서 적층 면 사이의 점탄성 테이프에서 발생하는 마찰로 진동에너지를 산일화 시켜 결과적으로 동적변위 감소에 의한 전자소자의 피로수명 향상이 가능하다. 따라서 일반적인 보강재가 적용되는 기판에 비해 얇은 두께만으로도, 목적하는 피로수명에 대한 신뢰도를 확보할 수 있어 무게 및 부피가 절감된 전장품 설계가 가능하다.
[6]은 발사환경에서 초소형 위성용 태양전지판의 구조건전성 확보를 위해 태양전지판 배면부에 점탄성 테이프로 FR-4 재질의 보강재를 적층하여 고댐핑 특성을 구현하였다. 제안한 태양전지판의 기본 특성 파악을 위해 수행 된 자유감쇠시험에서 보강재 적용으로 인해 감쇠비가 약 8배 향상되었을 뿐만 아니라 약 1.4배의 고유진동수 증가를 확인하였다. Kwon et al.
최종적으로 고집적화 소자의 피로수명 예측을 통해 적층형 기판이 기존 기판과 비교하여 8.5배 이상의 피로수명 향상 효과를 기대할 수 있음을 입증하였으며, 향상된 감쇠비가 피로수명 증가의 주요 인자임을 알 수 있었다.
후속연구
5배 이상의 피로수명 향상 효과를 기대할 수 있음을 입증하였으며, 향상된 감쇠비가 피로수명 증가의 주요 인자임을 알 수 있었다. 본 연구에서 제안한 적층형 기판은 전장품의 소형화 /경량화에 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 향후 실제 고집적화 소자를 적용한 시편을 제작하고 보다 장시간의 피로수명시험을 통해 솔더접합부를 비롯하여 적층부의 박리에 대한 피로수명 관점에서 제안한 적층형 기판의 유효성 검증을 수행할 예정이다.
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