납의 피로수명 신뢰성 모델링

Jul 21, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2493(2023) 이 기사 인용

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전자 패키지용 마이크로 전자 상호 연결 재료의 신뢰성은 전자 어셈블리의 피로 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 이는 솔더 접합 신뢰성과 전자 장치에서 가장 빈번하게 나타나는 고장 모드 사이의 상관관계 때문입니다. 우수한 기계적 및 피로 특성으로 인해 SAC 합금은 전자 패키지의 상호 연결 조인트로 사용되는 가장 일반적으로 사용되는 솔더 재료 중 하나로 Pb 솔더 합금을 대체했습니다. 본 연구의 주요 목적은 실험 조건의 함수로서 솔더 조인트의 피로 수명 예측 모델을 개발하는 것입니다. 맞춤형 실험 설정을 사용하여 가속 피로 전단 테스트를 적용하여 실제 설정 조건에서 개별 SAC305 솔더 조인트의 피로 수명을 조사했습니다. 정의된 OSP 표면 마감 및 솔더 마스크가 연구된 테스트 수단에 사용되었습니다. 피로 테스트에는 세 가지 수준의 응력 진폭과 네 가지 수준의 테스트 온도가 포함됩니다. 솔더 조인트의 피로 수명에 대한 신뢰성 분석에는 2개 매개변수 Weibull 분포가 사용됩니다. 각 주기 하중 및 시험 온도에서 히스테리시스 루프를 구성하기 위해 각 주기에 대해 응력-변형률 곡선이 그려집니다. 획득된 히스테리시스 루프는 사이클당 비탄성 작업과 소성 변형률을 추정하는 데 사용됩니다. Morrow 에너지와 Coffin Manson 모델은 솔더 조인트의 피로 수명에 대한 피로 특성의 영향을 설명하기 위해 사용됩니다. Arrhenius 모델은 다양한 테스트 온도에서 응력 수명, Morrow 및 Coffin Manson 방정식의 변화를 설명하기 위해 구현되었습니다. 그런 다음 SAC305 솔더 조인트의 피로 수명은 응력 진폭 및 테스트 온도의 함수인 일반 신뢰성 모델을 사용하여 예측됩니다.

마이크로 전자공학 상호 연결 재료의 피로 수명은 전자 조립품의 신뢰성을 나타내는 주요 지표입니다. 이러한 연결의 단일 오류로 인해 전체 전자 시스템이 파괴되거나 작동 성능이 크게 저하될 수 있기 때문입니다. 솔더 조인트 및 기타 상호 연결 재료는 기본적으로 전단, 인장, 크리프, 기계적 및 열 충격, 피로 응력과 같은 실제 응용 분야에서 다양한 유형의 열 및 기계적 응력을 받습니다1,2,3,4. 열악한 환경 조건에서 일반적으로 관찰되는 열 순환 현상은 열적 응력과 기계적 응력이 결합된 주요 원인 중 하나입니다. 열 순환 현상으로 인한 피로 전단 응력은 솔더 조인트의 피로 수명에 상당한 영향을 미칩니다. 인쇄 회로 기판(PCB), 솔더 조인트 및 전자 패키지의 열팽창 계수(CTE) 간의 불일치는 솔더 조인트의 피로 전단 응력을 발생시키는 주요 원인입니다5,6. 이와 대조적으로 솔더 조인트는 열 순환 과정에서 즉시 열 응력을 받게 됩니다. 높은 온도가 적용되면 노화 효과가 솔더 조인트의 성능에 영향을 미칩니다. 노화는 피로 수명 저하에 영향을 미치는 또 다른 요인입니다. 납땜의 피로 수명 거동에 대한 노화의 영향은 온도와 노출 시간에 크게 의존합니다7,8,9.

본 연구에서는 서로 다른 테스트 온도에서 개별 솔더 조인트를 고려한 가속 피로 전단 테스트를 적용하여 전자 패키지에 대한 열 사이클링 프로세스의 영향을 조사했습니다. 여러 연구에서 다양한 솔더 합금의 기계적 및 피로 거동을 조사했습니다. Basitet al. 에서는 사전 노화된 마이크로 전자 상호 연결 재료에 대한 열 사이클링 가속 수명 테스트와 유한 요소 분석을 수행하여 SAC 합금의 신뢰성에 대한 새로운 예측 방법론을 개발했습니다. 수명주기별 에너지 소산과 Anand 점소성 모델을 사용하여 열주기 테스트를 통해 SAC305 솔더 조인트의 피로 수명을 추정했습니다. 조사에서는 4가지 수준의 노화 온도와 3가지 수준의 노화 시간이 활용되었습니다. 열 순환 공정은 전자 패키지의 노화 공정에 이어 -40 ~ 125 °C 범위의 순환 온도에서 활용되었습니다. Anand 모델에 대한 노화 온도와 시간의 영향이 발견되었습니다. 유한 요소 모델과 함께 수정된 Anand 모델을 활용하여 SAC305 솔더 조인트의 응력 변형 이력을 예측했습니다. 새로운 예측 접근법을 검증하기 위해 시뮬레이션 결과를 실제 실험 데이터에 대한 Weibull 신뢰도 분석과 비교했습니다. Chenet al. 열 분석을 사용하여 SAC305 및 SAC-Sb의 기계적 및 열적 신뢰성 동작을 연구했습니다. 본 연구에서는 기계적 거동을 분석하기 위해 작동 온도와 변형률의 두 가지 다른 수준이 고려되었습니다. 연구된 솔더 합금의 피로 열 저항을 조사하기 위해 Anand 모델이 활용되었습니다. SAC-Sb 솔더 조인트를 사용하면 비탄성 변형률이 크게 저하됩니다. 더욱이, SAC-Sb 솔더 조인트는 열악한 작동 환경에서 상당한 피로 저항성을 보여주었습니다11. 솔더 조인트의 열기계적 수명은 Jiao et al.에 의해 조사되었습니다. 온도 순환 조건에서 전류 효과를 받습니다. 두 가지 솔더볼 유형(배럴 및 모래시계)과 서로 다른 전류 밀도를 갖춘 Sn3.8Ag-0.5Cu 솔더 페이스트가 활용되었습니다. 열 순환과 전류가 열역학적 수명에 미치는 영향을 시뮬레이션하기 위해 유한 요소 분석이 수행되었습니다. 명시된 실험 조건에서 모래시계형 솔더 조인트 유형은 배럴 솔더 조인트12에 비해 피로 수명이 더 낮았습니다. Samavatianet al. 솔더 조인트의 피로 수명에 대한 무작위 주파수 진동의 영향을 조사했습니다. 이 연구에서는 세 가지 다른 회로 기판의 볼 그리드 어레이를 테스트 수단으로 활용했습니다. 유한 요소법은 피로 수명 측면에서 최상의 회로 기판 구성을 식별하는 데 사용되었습니다. 입력 주파수의 영향은 가속도 전력 스펙트럼 밀도를 적용하여 측정되었으며, 제곱근 박리 응력 값을 기준으로 불량을 정의했습니다. 유한 요소 분석 결과에 따르면 BGA 모서리에 위치한 솔더 조인트가 파손에 더 취약한 것으로 나타났습니다. 또한, 다른 보드 디자인과 비교하여 보드 모서리에 방열판을 갖춘 보드 구성은 높은 피로 저항 성능을 보여주었습니다13.