8
118 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007 16 전기적 및 전기화학적 특성 측정을 이용한 전자제품 신뢰성평가 홍원식 오철민 박노창 송병석 정승부 Reliability Assessment for Electronic Assemblies with Electrical and Electrochemical Properties Measurement Won-Sik Hong, Chul-Min Oh, Noh-Chang Park, Byung-Suk Song and Seung-Boo Jung 1. 서 론 최근의 전자 제품 및 부품은 고신뢰성을 요구하고 있 으며, 신뢰성에 대한 결과 또한 정략적 평가 결과를 요 구하고 있다. 정량적 신뢰성 데이터를 얻기 위해서는 신 뢰성평가가 이루어지는 동안 어떤 형태이든 평가하고자 하는 측정값의 실시간(in-situ) 모니터링 결과를 얻어야 한다. 전자제품의 수명평가는 시험대상의 주요 고장원인 을 유발하는 인자를 선별한 후 그 인자를 스트레스 (stress)인가하면서 신뢰성평가를 하게 된다. 이때 인가되는 대표적인 스트레스 인자로써 온도, 습도, 하중, 전기화학 반응 그리고 전압 또는 전류를 언급할 수 있 . 이때 인가된 스트레스 환경조건 하에서 제품이나 부 품의 특성 및 성능 변화를 관찰하기 위해서 가장 일반적 으로 사용되는 것이 전기적 특성 변화를 관찰하는 것이 . 이때 측정되는 전기적 특성변화 값으로 저항 (resistance) 또는 절연저항(insulation resistance)이 있다. 일반적으로 전기적 특성 측정방법은 시험 중간에 전기 적 특성을 중간 측정하여 그 값을 사용하게 된다. 그러 나 이것은 실험에 적용되는 스트레스가 인가된 환경조 건이 아님으로 실제 실험조건에서의 측정값과 다를 수 있다. 전자제품 신뢰성평가에 대한 대부분의 연구에서 이러한 중간측정을 사용하고 있으며 실시간 모니터링 방법에 대해 많은 적용이 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 논문에서는 마이크로 패키지 부품의 접합수명 수명 평가와 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)과 같 은 전자부품의 신뢰성평가를 위해 기계적 접합특성 및 전기화학적 특성 평가에 전기적 특성 측정을 적용하는 방법과 그 결과를 사용한 수명평가에 대해 기술하고자 한다. 2. 전기적 특성측정을 이용한 수명평가 2.1 Daisy chain을 이용한 수명시험 전자제품의 가장 기본이 되는 것이 PCB일 것이다. 인쇄회로를 형성하고 조립하기 위해 기본적으로 사용되 는 부품으로써, 실제 제품에서도 많은 신뢰성평가가 이 루어지고 있다. PCB 신뢰성평가를 위해서는 열충격시 (thermal shock test), 열싸이클시험 (thermal cycling test), 고온고습시험(high temperature and high humidity test), 증기가압시험(pressure cooker test, PCT) 등이 주로 사용된다. 이것은 PCB의 주요 고장 원인으로 도금된 관통 홀(plated though hole, PTH) 내부 도금 층의 균열 (crack), 층간 들뜸 (delamination, blistering) 등을 관찰하기 위한 시험이다. 이러한 고 장원인을 실시간으로 관찰하기 위해서는 기판의 측정대 상이 전기적으로 모두 연결되어 있는 daisy chain 판을 사용하여야 한다. 또한 솔더 접합부에 대한 수명 을 평가하기 위한 시험방법으로 적용되는 것이 daisy chain을 이용한 시험이다. 이러한 시험은 주로 환경시 험을 진행하는 동안 솔더 접합부에 대해 실시간으로 저 항을 측정하는 방법으로 Fig. 1과 같이 한 개의 시료에 대해 전기적으로 회로를 연결한 것으로써 접합부 균열 발생시 저항의 변화를 측정하는 방법이다. 접합부에 대 한 저항의 변화를 관찰하기 위해서는 부품에 대한 변화 없어야 하며, QFP(quad flat package), BGA (ball grid array), CSP(chip scale package), 플립 (flip chip) 부품인 경우 내부의 칩을 저항만 연결할 수 있는 더미 칩(dummy chip)을 이용하여 별도의 부 품을 제작하여야 한다. 이것은 저항의 변화를 부품의 결함이 아닌 접합부 결함을 관찰하기 위해 필요한 것이 . Daisy chain을 이용한 솔더 접합부의 수명을 평가 하기 위해서는 우선적으로 정의되어야 할 부분이 있다. 특 집 : 차세대 디스플레이 모듈 및 3차원 실장을 위한 마이크로 전자 패키징기술

A F uî ¦ o | v u1 ua t I uñ u} v u pÍ f o ¶ Yíe-jwj.org/upload/PDF/0/83/01/0830100.pdf · +PVSOBM PG ,8+4 7PM /P "QSJM uñ \ uî iü uñ \ A F uî ¦ o | v u1 ua t I uñ u}

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  • 118 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007

    16

    Reliability Assessment for Electronic Assemblies with Electrical and Electrochemical Properties Measurement

    Won-Sik Hong, Chul-Min Oh, Noh-Chang Park, Byung-Suk Song and Seung-Boo Jung

    1.

    ,

    .

    (in-situ)

    .

    (stress) .

    , , ,

    .

    .

    (resistance) (insulation resistance) .

    .

    .

    .

    (printed circuit board, PCB)

    .

    2.

    2.1 Daisy chain

    PCB .

    ,

    . PCB

    (thermal shock test), (thermal cycling

    test), (high temperature and high

    humidity test), (pressure cooker test,

    PCT) . PCB

    (plated though hole, PTH)

    (crack), (delamination,

    blistering) .

    daisy chain

    .

    daisy

    chain .

    Fig. 1

    .

    , QFP(quad flat package), BGA

    (ball grid array), CSP(chip scale package),

    (flip chip)

    (dummy chip)

    .

    . Daisy chain

    .

    : 3

  • 25 2, 2007 4 119

    17

    (a)

    (b)

    Fig. 1 Photographs of test specimen (a) PCB and (b) pa

    ckage component on the PCB

    .

    , ,

    (extrapolation)

    ,

    . Die/package daisy

    chain die attach,

    (underfill), bond/filp chip

    . Plastic BGA/CSP

    (fail) ,

    .

    , (CTE

    mismatch)

    .

    .

    2.2

    ,

    .

    , (shear fatigue

    damage) .

    ( ),

    (creep), (stress relaxation), (corrosion),

    (oxidation) .

    ,

    .

    .

    ,

    1 sec 300

    , 1).

    ,

    10% 9

    .

    300

    . 1000

    . ,

    ,

    .

    daisy chain 1 sec

    3001000 (

    ) ,

    1020 %

    .

    2.3

    ,

    .

    .

    .

    2.4 /

    .

    . Fig.

    2 Daisy chain

    . Fig. 3

    .

  • 120 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007

    18

    (a)

    (b)

    Fig. 2 Fatigue test equipment photographs : (a) overall

    shape of test system and (b) magnified view of

    test fixture and specimen

    Fig. 3 Daisy chain measurement systems : (a) CSP test

    coupon, (b) event detector with in-situ method,

    (c) DC source meter and (d) test program controller

    Fig. 4 In-situ measurement results of resistance and

    bending fatigue force applied on the CSP package

    solder joints during the 4-point bending fatigue

    test

    ,

    (event

    detector)

    .

    . ,

    (open)

    .

    .

    , ,

    .

    1

    .

    . Fig. 4 4

    .

    ,

    CSP

    .

    .

    3.

    3.1

    (thermal cycling test, TC)

    .

    ,

    TC 0100 6,000 cycles

    . Fig. 5

    .

    PCB Tg

    . JEDEC 222)

    ,

    .

    TC1, TC3, TC4 JEDEC 22 Method A 104, Rev.2

    J, G, B 2).

  • 25 2, 2007 4 121

    19

    Fig. 5 Representative temperature profile for thermal cycle t

    est11)

    3.2

    .

    . TC1

    6,000 cycles .

    63%

    .

    (Weibull distribution)

    (cumulative failure rate, %)

    .

    . 6,000 cycles ,

    1020 /min

    .

    3.3

    (acceleration factor, AF)

    .

    AF 2 .

    (cyclic fatigue life)

    AF(cycles)

    AF(MTTF) , AF(cycles)

    .

    (1)

    Nf(product) 50%

    (the mean fatigue life)

    , Nf(test) 50%

    .

    AF(MTT) .

    (2)

    f(test) (test cycle

    frequency), f(product)

    (cyclic frequency) . 4

    , Engelmaier-

    Wild (fatigue ductility exponent)

    m

    . AF

    ,

    ,

    .

    4.

    (ECM) PCB

    .

    PCB ,

    (paper phenolic laminate)

    ,

    (electro-deposition) 6).

    ,

    .

    4.1

    (mixed potential theory)3)

    .

    (half-

    cell) (system)

    . Fig. 6

    .

  • 122 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007

    20

    Fig. 6 Photographs of polarization test system4)

    Log i (A/cm2)

    E(V)

    ECORR

    Anode : M M +e

    iCORR

    Cathode : M ++e-? M

    Tafel Region

    Anode : M M+ +e -

    i

    Cathode : M + +e- M

    2 H++2e-H2

    Tafel Region

    Fig. 7 Schematic diagram of Tafel extrapolation method

    for measuring the corrosion rate4)

    0.175

    0.301

    0.264

    0.197

    0.312

    0.227

    0.0

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    None Aging 150 220

    Aging temperature()

    Corr

    osi

    on r

    ate (

    mpy)

    SnPb

    Sn3Ag0.5Cu

    180(SnPb)/220

    (a)

    0.175

    0.301

    0.264

    0.197

    0.312

    0.227

    0.0

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    None Aging 150 220

    Aging temperature()

    Corr

    osi

    on r

    ate (

    mpy)

    SnPb

    Sn3Ag0.5Cu

    180(SnPb)/220

    (b)

    Fig. 8 Comparisons of corrosion rate between Sn- 40Pb

    and Sn-3.0Ag-0.5Cu as follows aging temperatur

    e and electrolytes, pH 7.5, 40 vs. SCE : (a) Di

    stilled ionized water and (b) 1 mole 3.5 wt% N

    aCl electrolyte4)

    (Tafel extrapolation) . Fig. 7

    (reversible electrode potential)

    , (current density,

    ICORR) (corrosion Potential, ECORR)

    . (anodic

    dissolution)

    (oxide or hydroxide film)

    3).

    (ECORR) (ICORR)

    .

    4.2 4,5)

    Sn-40Pb Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC)

    .

    ,

    ECORR, ICORR (corrosion

    rate) .

    mpy(mils/year) .

    Fig. 8 4).

    0.1750.227 mpy

    , 150

    SAC

    .

    Sn3Ag0.5Cu

    . 3.5 wt% NaCl

    2.9

    3.1 mpy , 150

    SAC 9.22 mpy, SnPb 5.119 mpy

    .

    SAC 4.898 mpy,

    SnPb 14.370 mpy 3

    .

  • 25 2, 2007 4 123

    21

    .

    4.3 THB

    7-9)

    ,

    , (water drop

    test)

    .

    -- (temperature-

    humidity-bias test, THB) .

    PCB

    .

    (insulation resistance) ,

    .

    PCB

    ,

    . THB Table

    1 IPC-TM-650 2.6.13

    2.6.14 JIS-Z-3193, 3284

    . Fig. 9 THB

    , Fig. 10 (a)

    ECM

    , (b)

    (dendrite) .

    (comb pattern)

    .

    ,

    . THB

    1

    /40ms 1/1min

    . 1000 40ms 1

    , 1 1

    Test MethodIPC-TM-650 2.6.13, 2.6.14JIS-Z-3284 Appendix 14JIS-Z-3197 8.5.4

    Test Conditions 60, 90%RH / 6.5 Volts Applied

    Insulation Resistance Measurement Period

    every 40 ms (every 1 min, normally)

    Failure Criteria < 106

    Test Time at least 1000 hours

    Test Chamber

    Insulation Resistance Measuring Sys.

    Connection Cable

    Fig. 9 Photographs of test equipment for temperature- humidi

    ty-bias test

    1.0E+15

    1.0E+14

    1.0E+13

    1.0E+12

    1.0E+11

    1.0E+10

    1.0E+09

    1.0E+08

    1.0E+07

    1.0E+06

    1.0E+05

    1.0E+04

    1.0E+03

    1.0E+02

    1.0E+01

    1.0E+00

    1.0E+15

    1.0E+14

    1.0E+13

    1.0E+12

    1.0E+11

    1.0E+10

    1.0E+09

    1.0E+08

    1.0E+07

    1.0E+06

    1.0E+05

    1.0E+04

    1.0E+03

    1.0E+02

    1.0E+01

    1.0E+00214.0H 428.0H 642.0H 856.0H 1070.0H

    Resi

    stan

    ce(O

    hm

    )

    (a)

    (b)

    Fig. 10 Electrochemical metallic ion migration results : (a) in

    -situ measuring results of insulation resistance-te

    st time under temperature- humidity-bias test

    and (b) Cu ion migration under water drop test6)

    Table 1 Test method and conditions for THB test

  • 124 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007

    22

    1/40ms

    . ECM

    1106

    . PCB

    , 100

    .

    5.

    ,

    .

    .

    .

    PCB

    .

    (failure criteria)

    .

    .

    .

    (RTI04-01-01) ,

    .

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    1975

    , ,

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  • 25 2, 2007 4 125

    23

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    1959

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    e-mail : [email protected]

    1. 2. 3. 4. 5.