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최 종 연 구 보 고 서

전 전자 교환기용 고다층 인쇄회로

기판 신뢰도 연구parameter

연구수행기관 고려대학교 생산기술 연구소:

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제 출 문

한국전자 통신연구소 장 귀하

본 보고서를 전 전자 교환기용 고다층 인쇄회로 기판 신뢰도 연구 에 관한 위" , parameter “

탁연구의 최종 연구 보고서로 별첨과 같이 제출합니다.

넌 월 일1990 3 30

연구수행기관 : 고려대학교 생산기술 연구소

연구 책임자 : 문 탁 진 고려대학교 교수( )

연구수행기관 : 고려대학교 생산기술 연구소

소 장 민 만 기 직인( )

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목 차

국문초록

영문초록

서론1.

실험2.

1) Material

2) Test

3) Strain Gauge

결과 및 고찰3.

재료의 열적 성질1)

재료의 내구적 성질2)

에 대한 온도와 관계3) CIC(Copper-Invar-Copper) strain, CTE

4) PTH(Plated Through Hole) Reliability

에 따른 의 신뢰성 문제5) Solder Joint PCB

6) Optical Spacing

결론4.

참고문헌

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국문 초록

를 사용하여 고 신뢰도의 시스템을 형성하는데 있어서 의 신뢰성을 향상시킬 목적PCB PCB

으로 기판재료의 흡수성에 따른 전기적인 성질의 열화를 최소화시키는 재료의 재질 양상을

분석하였다 공정상 가열에 따른 기만의 열적 안정성과 치수 안정성 유지 및 말. Soldering

단 균열 발생을 최소화하여야 한다 기판재료와 전도체의 열팽창개수 차이로(Corner Crack) .

인한 단선 단락 위험성을 감소하기 위해 기판재료와 전도체의 열팽창과 기판재료의, PCb

열 안정성을 분석하였다 기판재료와 전도체의 불일치를 감소시키고 의 크. PCB CTE PTH

기를 조절함으로써 신뢰성을 향상시킬 수 있었다 파괴에 대한 평균시간은 온도 상대습도의. ,

증가에 따라 감소하며 전도체 간격 이 증가할 때 증가됨을 알 수 있고(Conductor Spacing)

파괴에 대한 수를 고려함으로써 재료선정에 있어서 중요한 정보를 얻을 수 있Power Cycle

었다.

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영문 초록

To improve a high reliable system using PCB, it is necessary to promote the reliability'

of PCB first. and the quality of PCB base material is analyzed by minimizing the

degradation of electrical property, resulted from the humidity of PCB. To maintain the

thermal and dimensional stabilities of the PCB substrate, the minimization of a corner

crack formation and a distortion of the PCB substrate. both come from the heating of

soldering process, are taken into account. To eliminate danger of eiectrical short and

circuit break - off due to the difference in the Thermal expansion of the base material

and the conductor. the thermal expansion and the thermal stability of both materials are

analyzed. The reliability of PCB is improved by reducing the CTE mismatch between

substrate and conductor and b)' controlling the size of PTH.

It is found that the mean time of failure is decreased as the temperature and the

realitive humidity increased, and is increased as the conductor spacing increased. Many

important informations about material selection are obtained by considering the number

of power cycle leading to failure.

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서론1.

전자산업 발전에 힘입어 의 용도는 그 특성상 모든 통신 산업을PCB(Printed Circuit Board)

포함하여 전 산업분야로 급속히 확대되고 있고 최근 제작되고 있는 모든 전자 제품은 부품,

을 위에 부착하여 제작되고 있다고 해도 과언이 아니다PCB .

특히 전 전자 교환기와 같이 통신 시스템의 핵심이 되는 전자교환기 등도 사용하는TDX

모든 부품을 에 부착함으로써 기계적인 힘을 유지하고 의 패턴을 통하여 전기적인PCB PCB

상호신호를 유지하는 등 가 시스템 산업에 있어서 중요한 역할을 하고 있다는 젓을 알PCB

수 있다 일반적으로 통신기기나 전산기기에서는 에 통판 를 채택함으로 해. Back Board PCB

서 의 치수가 대형화되고 있으며 전자부품의 소형화와 다기능화의 추구도 의 고밀PCB PCB

도 고다층화와 제작에 있어서 둥이 사용되고 이와 관, PCB Surface Mounting, Fine Pattern

련된 기술과 더불어 많은 설계 및 제작 기술의 진보가 이루어져 왔고 그 발전추세는 가속화

되고 있다 이와 같은 제조기술의 발전에도 불구하고 제작과정과 의 신뢰도보증. PCB PCB

및 향상을 위안 검사 및 시험은 개략적인 화학적 전기적 및 기계적인 시험 등 가시적인 수,

준에 그치고 있는 실정이며 를 사용하여 고 신뢰도의 시스템을 형성하는데 있어서 기, PCB

판재료의 흡수성에 마른 전기적인 성질의 을 최소화시키는 재료의 재질 향상을Degradation

고려하고 공정상 가열에 따른 기판의 열적 안정성과 치수 안정성 유지 및Soldering Corner

발생과 기판의 휨 뒤틀림을 최소화하여 사용 온도구간에서 기판재료와Crack , PCB

로 사용되는 의 열팽창 계수 차이로 인하여 단선 또는 단락의 위험성이 고려되Conductor Cu

어야 한다.

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이 같은 문제점에도 불구하고 국내에서는 개발 단계에서 쉽게 사용활 수 있는 시험기술 및

성능에 영향을 미치는 요소에 대한 분석조차 정립되어 있지 않아 고 신뢰도의 사용에PCB

많은 불안감 및 문제점을 내포하고 있다 따라서 본 연구에서는 용도에 따른 기판재료들의.

성질과 그 재료들의 물리적 전기적 특성을 분석하였고 시스템의 신뢰도에 영향을 미치는,

의 열 안정성을 개선하기 위한 에 있어서 최적 을 조사하였고PCB Thermal design Spacing ,

제작 중 시나 운용온도에서 열에 영향을 받는 내연성 내열성 회로의 단선PCB Soldering , ,

빚 단락을 열역학적인 관점에서 연구 분석하고자 과 의 열팽PCB Base Material Conductor

창 분석과 의 열적 안정성을 분석을 통하여 의 신뢰성에 영향을 미PCB Base Material PCB

치는 요소 및 한계치를 도출하고자 한다.

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실험2.

1) Material

의 고밀도 고다층화 추구에 따라 에 대한개발노력은 지속되어 왔고 이런PCB , Base Material

노력에 문제시되는 검은 신뢰성 및 신뢰성 문제이다 통상 신뢰도를 개선SMT PTH . SMT

하기 위한 방법으로서 재료의 를 낮추어 에 거의 일치시켜서PCB CTE Package CTE Solder

에서의 을 최소화시키는 방법이 있고 신뢰도에 대해서는 의 경우와 유Joint Strain PTH SMT

사한데 기판의 축 를 의 에 일치시킴으로서 의 틀 최소화Z CTE Cu CTE Hole Barrel Stress․시키는 방법이 이용되고 있다 결국 신뢰도 개선은 재료의 특성과 깊은 관련이 있으므로 재.

료의 선택이 신뢰도를 높이는 하나의 요인이 된다.

본 연구에서는 와 에 관심을 가지고 살펴보았는데 이들에 대한 성질을 표 에 나FR4 RO2800 1

타내었다.

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과 의 특성비교Table 1. RO2800 FR4

은 과 의 가 고밀도 충전된 로 이루어진RO2800 Ceramic Glass Micro fiber PTEE Fluoro

복합 재료로써 그 구조가 그림 과 같으며 고기능 와 적용에 적합한 재polymer 1 PCB MCM

료이고 표 에서 보는 바와 같이 낮은 유전상수 낮은 에 의해1 (K' = 2.8), Disspation Factor

를 감소시키며 낮은 축 를 가지므로 뛰어난 신뢰성을Propagation Delay Z CTE(27PPM/°C)

나타내며 축 가 의 와 일치하므로 우수한 치수 안정, X, Y CTE Cu CTE (Dimensional

를 가진다Stability) .

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그리고 의 신뢰도를 향상시키는 또 다른 요인으로 낮은 수분 흡수력 우수한 내화학RO2800 ,

성 그리고 상대적으로 낮은 탄성률에 의해 동안 내에 야기된Thermal Cycling Solder Joint

을 최소화 시켜 의 신뢰도를 향상시킨다Strain SMT .

FIG. 1 Rogers RO2800 Fluoropolymer Composite, showing

the mix of ceramic and glass microfiber fillers

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2) Test

의 는 에서 의 온도로 설정된 에 의해 논의PTH Reliability -55 125 Thermal Cycling Test℃ ℃

되고 이 은 단계로 이루어져 있다Thermal Cycle 3 .

초기에 온도로 시료를 유지시키며 이때 에 잔여 능력이 없다고 가정한다25 PTH .℃

의 첫 단계는 일정하게 에서 로 온도를 올리고 두 번째 단계에서Thermal Cycle 25 125℃ ℃

의 온도를 까지 냉각시킨다 이렇게 냉각된 시료를 다시 까지 온도를 올리125 -55 . 25℃ ℃ ℃

어 실험하는 것으로 그림 에 나타내었다2 .

Fig 2. Temperature profile of the accelerated thermal shock cycle

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3) Strain gauge

는 의 표면 즉 평면에서 을 측정하는데 적합하Resistance foil strain gauge MLB X-Y Strain

고 이 시험결과를 이용하여 표면과 사이의 열기계적 일치성을 규명하는PCB LCCC Pakage

데 도움이 된다 를 보드표면 위에 놓고 밑에 위치하게 놓는다 이때 보드표면. gauge LCCC .

에서 휨과 뒤틀림을 측정하고 또한 이 방법을 이용하여 온도변화에서 유발되는 의 크Strain

기를 측정 수 있다 이 방법의 단점은 열기계적 특성을 규명하는데 있어서 시험보다. TMA

긴 시간을 요하지만 위에 언급한 성질을 고찰하기에는 적합하다.

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결과 및 고찰3.

재료의 열적 성질1)

에 대한 열적 성질은 을 이용하여Base Material TMA(Thermo Mechanical Analyzer) PCB

의 평면과 축 두께 방향에서 열팽창계수 을X-Y Z (PCB ) (Coefficient of thermal expension)

측정하여 고찰하였다 이 의 온도 상승율을 로 하였고 질소를 으로. TMA 10 /min 100cc/min℃

하여 새척시켰으며 모든 시료는 잔여응력에 따른 오차를 최소화하기 위해서 열처리하였다.

를 이용하여 과 을 측정하여 비교하였는데 이에 대한 온TMA RO2800 FR4 laminate material

도에 따른 열팽창을 그림 와 그림 에 나타내었다3 4 .

그림 에서 알 수 있듯이 이하의 온도에서 평면의 열팽창은 와 가 유사3 Tg X-Y FR4 RO2800

하나 이상의 온도에서는 가 에 비해 약 배가량 높다, Tg FR4 RO2800 2.8 .

그림 에서 약 이상의 온도에 의 축 팽창은 급속하게 증가하여 값이4 Tg( 100 ) FR4 Z CTE℃

거의 에 이르는 반면 의 경우는 용융온도 에 이르기까지는300 400 ppm/ RO2800 327～ ℃ ℃

서서히 증가함을 볼 수 있다.

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가 인 은 낮은 축 팽창을 가지고 있기에 시험에 있CTE 27ppm/ RO2800 Z Thermal cycling℃

어서 에 비해 더 높은 신뢰성이 있다는 것을 알 수 있고 에서 까지 온도FR4 -55 C 350 C。 。

를 올렸을 때 축의 전체팽창은 가 증가하는 낮은 열팽창을 나타냄을 그림을 통하Z 5 6%～

여 알 수 있었으며 높은 이상 을 요구하는 경우에는 을 사용하Reflow Temp.(288°C ) RO2800

는 것이 적합하고 신뢰성도 높다는 것을 알 수 있었다.

Fig.3. Thermal expansion of RO2800 verus FR4 measured in Z axis

using TMA at heating of 10 C/min.‵

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FIG.4 Thermal expansion of RO2800 verus FR4 measured in

XY plane using TMA at heating rate of l0 C/mm‵ ̀̀

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재료의 내구적 성질2)

재료의 내구적 성질을 논의하는데 있어서 의 수명 측정 중에 나타나는 파괴의 형태를PCB

고려하여야 한다 이를 위하여 습도를 올리면서 하의 회로를 관찰하였다 이때 관찰. dc bias .

되는 전기적 거동은 성장으로 특정 지을 수 있다 로CAF(conductive anodic filament) . CAF

인해 전기적 단락 현상이 나타내며 이 때문에 의 신뢰성을 저하시키는(electrical short) PCB

나쁜 영향을 미친다 에 현상이 생기면 기판재료의 전기적 파괴 즉 절연저항의. PCB CAF .

감소가 일어나며 이러한 파괴는 로부터 유출되는 전도성positively biased conductor(anode)

재료의 형성과 이러한 가 유리강화 기판을 따라서filament filament negative

쪽으로 성장하면서 일어난다 이러한 종류의 파괴 가 표면의 전도electrode(cathod) . (failure)

체에서 발견되었다면 반대의 를 가지는 사이에서도 발생하게 된다bias PTH .

이러한 성질을 논의하는데 있어서 의 전기적 절연저항을 시간의 함수로 나타내는PCB IR

에서 기판재료의 전극형성 결과를 얻으므로써 고찰되어진다test PCB . IR test line -to-line,

하나의 전극이 연속적인 로 이루어짐 두개의 전극이 에hole-to-line( PTH ), hole-to-hole( PTH

형성 의 가지 경우로 나누어 실행할 때 그림 는 가 없는 의 구조에 있) 3 5 covercoat FR4 L-L

어서 을 시간의 함수로 나타낸 것이다IR .

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그림 은 의 구조에 대한 후 표면을 관찰한 것으로 전형적인6 FR4 L-L electrical test CAF

를 나타낸다 이에 비해 가 있는 의 그림 과 비교해 보면 이 경우 이. covercoat FR4 7 IR drop

매우 낮은 값에서 나타나고 과 의 이 그림 과 인데 이들 모두의 경우H-L H-H pattern IR 8 9

에 있어서 를 볼 수 있었으며 성장은 가 없는 재료보다 가 있CAF CAF covercoat covercoat

는 재료에서 더 높음을 알 수 있다.

TIME(HOURS) 10

FIG.5 Plot of FR-4 in L-L configuration

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FIG 6 Surface view of FR-4 L-L sample after testing

TIME (HOURS)

FIG.7 Plot of Covercoat FR-4 in L-L Configuration

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TIME (HOURS)

FIG. 8 IR Plot of FR-4 in H-L Configuration

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TIME(HOURS) 10

FIG .9 IR Plot of FR-4 in H-H configuration

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이를 도식화하여 그린 그림이 그림 이다 즉 성장 수는 구조적인 성질에 의존하며10 . CAF

그 크기는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

H-H > H-L > L-L

FIG.10 Schematic Representation of CAF in Various

Test Configurations

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에 의한 파괴 은 전도성 성분의 계면에 침투에 의한CAF mechanism copper glass-resin

의 파괴이며 에 의한 시간에 따른 파괴는 온도 상대습도 가해진 그resin -glass , CAF , , bias

리고 에 의존한다conductor spacing .

그림 은 파괴에 대한 평균시간 에 따른 의 온도 습도 의11 (mean time to failure, MTF) CAF -

존성을 나타내었다 이 그림은 다음과 같은 의 식으로 표현 될 수 있다. Arrhenius type .

MTF = aH exp(Ea/kT)ｂ

여기서 는 상대습도 는 절대온도 그리고 은 기체상수이다 상수 는 그림으로부H , T R . a, b, EΑ

터 구할 수 있는 값이다.

1000/(DEG K)

FIG. 11 Temperature-Humidity Dependence of CAF

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이 그림에서 직선을 로 외삽하면 상대습도 전압 일 경우30 C 60%, dc 200V, 75mil spacing。

예견되는 수명은 년이 된다 상대습도가 증가함에 따라 는 감소하는데 계5 . MTF resin-glass

면에서 가 일어나 전기적 파괴를 유발시키기 때문이다electrochemical process . electrochem

는 의 분해과정과 반응의 두 단계로 나누어-ical process resin-glass bond electrochemical

생각 할 수 있는데 첫 번째 과정은 반응에 기인된 이 일어electrochemical electrodeposition

날 수 있는 경로를 제공해 준다 이 과정은 습도에 민감하게 반응한다. .

한번 경로가 형성되면 수성의 매체는 표면에 물의 흡착을 통해 형성되고 는glass PCB

로써 작용한다 이 에 있어서 는 전극이 되고electrochemical cell . cell copper conductor

에 대한 구동력은 에 의해 형성된다 물의 전기분해는electro chemistry operating potential .

전극사이에 구배를 만들고 양극에서 가 떨어지면서 의 부식산물들이 용해된다고PH PH Cu

예측할 수 있고 이런 물질들이 농도 구배에 따라 용액 속에서 영역 즉neutral , resin-glass

계면에서 될 때까지 이동한다deposite .

는 이렇게 만들어지고 농도 구배 방향으로 성장하고 음극을 향해copper-bearing filament

움직인다 결국 이들은 를 형성하여 이로 인해 파괴가 일어난다 에. conductive bridge . CAF

의한 파괴시간은 함수로 나타낼 수 있는데 이것에 대해 그림 에 나타내었다 이spacing 12 .

결과를 보면 이하로 이 떨어지면 파괴시간이 두드러지게 감소함을 알 수 있다5mil. spacing .

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그러므로 고 밀도의 에 따른 신뢰도 문제가 심각하게 야기됨을 알 수 있었다PCB .

FIG. 12 Dependence of epoxy-glass failure mechanism

at 85 C/80% RH/45V‵

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에 대한 온도와 관계3) CIC(Copper-Inval-Copper) Strain, CTE

의 시험에 의해 얻어진 전형적인 곡선을 그림 에 나타내었다 이 그림에CIC Strain gauge 13 .

서 반응은 비선형적이며 곡선의 기울기 즉 를 정확하게 나타낼 수 없다CTE .

FIG. 13 Typical strain gauge test curve for copper-invar-copper

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그러므로 그럼 에서 실제 를 온도에 대한 함수로 나타내었다14 CTE .

그림 의 온도에 대한 곡선에 의해 나타나는 는 의 항복13 Strain Hysteresis Loop Cu

에 밀접한 관계가 있는 것으로 가열과 냉각 시 두 재료사이의 차이에 기인된(yielding) CTE

에 의한 것이다Interfacial Stress .

FIG .14 CTE verus temperature curve for copper-invar-copper

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는 로 구성되어 있고 의 는 이고 의 는CIC Cu Invar Cu CTE 16 17ppm/ C Invar CTE 1.5～ 。

이다 마라서 전체 를 다음과 같은 모델에 의해 예측할 수 있다2.0 ppm/ C . CTE .～ 。

CTE Over= Eat/ Et∑ ∑

여기서 는 탄성계수 는 열팽창계수 는 두께 는 각각의 성분의 종합을 나타낸다E , , t , .α ∑

이 형태로 가 단성변형에 견딜 수 있을 때 그때의 를 예측할 수 있고 이렇게Core Cu CTE

예측된 값을 실제 와 비교하면 더 큰 값을 가진다 이 모델을 이용하여 복합체의CTE . TE⊂

를 예측한 것이 그림 이다 이 그림을 보면 두께가 증가함에 따라 복합체의 가15 . CIC CIT

감소됨을 알 수 있다.

FIG. 15 Composite CTE model prediction

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4) PTH(Plated Though Hole) Reliability

를 감소시키기 위하여 를 감소시켜야 하는데 이는 많은 연구 결Land Size Drilled Hole Size

과가 를 이하를 제안한데서 알 수 있다drilled hole size 6mil. .

의 는 가 감소할 때 고장이 증가됨을 실험을 통하여 보여 주었고IBM Roger wild PTH size

이에 대한 그림이 그림 이고 이 그림은 에서 사이의 온도 구간에서16 , -62 +125 5-7℃ ℃ ℃

으로 변화시켜 을 측정하여 신뢰성을 보여 주고 있다/min. Thermal Cycle PTH .

FIG.16 Effects of material(Tg) and PTH diameters on failure rates

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이 데이타에서 알 수 있듯이 의 크기가 줄어 듬에 따라 고장이 증가됨을 보여 주hole PTH

고 있다 또한 최근 에 보고 된 에서도 위와 같음 결. IPC-TR-578 IPC Round-robbin Test

론을 얻고 있다 이때 고장 메카니즘은 의 피로로 나타낸다. Copper Barrel .

신뢰성 측정은 온도를 로 하였고 는 최대 운용온도가 이기PTH -55 - 125 C 125 C 105。 。 ℃

에 그 이상의 값으로 책정한 값이다 에 대한 반응을 그림 에 나타냈다. RO2S00 17 .

FIG. 17 RO2800 PTH reliability test cycle

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매 싸이클에서 가장 뜨겁고 차가운 단계 끝 부분에서 저항 값을 얻었고 완전한 고장은 처, ,

음 뜨거운 영역에서 나타난다 하나 또는 그 이상 의 초기 고장이 전체 파괴에 원. hole hole

인이 된다 즉 의 피로가 원주 을 유발한다 각각의 싸이클은 다음. Copper Barrel barrel crack .

수식에 의해 계산된 가중치 을 가진다(Weighted Value) .

Weihgted Value For Cycle =550 - N55

여기서 은 고장이 일어나는 싸이클 수를 나타낸다N .

싸이클에 대한 가중치는 이고 싸이클에서 개의 고장이 일어날 가능성이 있다Zero 10 Zero 10

는 것을 나타내고 는 싸이클에서 어떠한 고장도 일어나지 않는다는 것을 의미이다0 500 .

표 는 두께 인 보드에 대한 가중치 값을 나타낸 바와 같이 의 신뢰성에 있어서2 0.056" PTH

두께의 효과는 명확하지 않다 그러나 다음 두 가지 효과를 찾아 볼 수 있는데CIC Core .

첫째는 보드 두께가 증가할 때 의 신뢰성은 증가하고 둘째 의 신뢰성은 도금된PTH , , PTH

구리 두께가 증가할 때 향상된다는 것이다.

표 의 결과를 기초로 하여 두께에 대한 가중치 값을 홀 지름에 대한 값을1 Cu Plating 0.0l6"

도시한 것이 그럼 이고 여기서 위에 언급한 사항을 재확인 할 수 있었다18 , .

보드 두께에 대한 영향을 표 에 나타내었고 이것은 위에서 언급한 두 가지 효과를 보충하기3

에 충분하며 이들 결과는 표준 에 대한 가 보고한 결과와도 일치한다MLB Wild .

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FIG. 18 RO2800 PTH reliability test cycle

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그림 은 다양한 지름에 대한 신뢰도 측정 결과를 나타내는데 홀 지름을 제외19 PTH 0.031"

하고 두께의 증가에 따라 의 수명은 향상된다Cu PTH .

결과적으로 의 피로는 고장의 원인이 되고 고장 문제에 대해 지름PTH Cu PTH PTH ,

의 등이 중요한 요인으로 작용한다는 점을 알 수 있었다PTH Epoxy filling .

또한 의 고 신뢰성은 의 에 크게 의존하는데 구리 도금이 불완PCB through-hole metalization

전하면 의 파괴가 일어난다 는 내부층을 한 후의 과정component . Smear lamination drilling

에서 의 내부벽을 따라서 수지 가 밀려서 일어나게 된다 는through-hole (resin) . Smear

과정의 많은 변수들 에 의해서 유발drilling (drill speed. chip load. drill geometry, hit rate)

된다 또한 온도와 압력 그리고 기판재료도 의 형성. lamination design configuration. Smear

에 기여한다 이러한 요인들은 수지의 국부 용해를 유발시키는 충분한 열을 발생하여. epoxy

수지가 에 의해서 내부층의 표면과 의 나머지 부분에 이동되게 한다 이러한drill hole wall .

내부 의 수지는 내부층과 사이의 전기적 연속성cmd smear plated hole wall (electrical

를 방해하며 완전한 구리 도금이 되지 않게 한다continuity) .

라서 의 를 최소화시키기 위해서 변수를 제어해야 한다 그러나Ek epoxy smear drilling .

가 제거되었다 해도 과정에서 가 나타날 수 있는데 주된 원인은 다smear metalization void

음과 같다.

첫째 증착두께가 부적당할 경우 가 생긴다 증착두께가 보다 작을 경우, void . 60microinch

나 증착두께가 현저히 작은 부분이 발생할 수 있다void .

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둘째 부적당한 증착구조 때문이다 크고 원주모양의 결정이 증착 되면 가 발생하게 된, . pore

다.

셋째 증착율이 부적당하기 때문이다 증착율이 너무 높으면 높은 응력의 구리 증착이 일어, .

난다 높은 응력의 증착은 을 나쁘게 하여 기포가 발생하게 된다. adhesion .

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 허용된 시간 내에 최소한 이상의60microinch

결정을 증착시킴으로써 신뢰성을 높일 수 있다fine-grained copper .

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FIG. 19 RO2800 PTH reliability test results - varies diameters

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Table 2. RO2800 PTH Reliability Test Results

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Table 3. RO2800 PTH Reliability Test Results

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에 따른 의 신뢰성 문제5) Solder Joint PCB

신뢰성을 고려하는데 있어서 표면 실장에 따른 신뢰도 문제를 생각해야 할 것이다 표PCB .

면실장에 따른 신뢰성을 고려하는데 있어서 가장 중요한 요인이 기판재료와 사chip carder

이의 열팽창 계수의 불일치로 인해 발생하는 응력에 의해 에 이 발생하여Solder joint crack

파괴로 이어지는 과정으로 이에 단한 연구가 의 신뢰성을 높이는데 매우 중요하다PCB .

본 연구에서는 의 파괴로 인도되는 과정을 의수를 고려하여 다음과Solder joint power cycle

같은 단계를 거쳐 조사하였다 와 기판재료의 주기적인 온도 변화를 통해 온도. chip carrier

변화와 열팽창계수에 따라 와 기판재료가 얼마만큼 열팽창이 일어나는 가를 살chip carrier

펴보고 여기서 얻어진 열팽창 변화를 이용하여 열팽창의 차이를 고려한다.

또한 의 최대 변이와 결합된 둘 사이의 열팽창 불일치로 야기되는 전단변형의Solder joint

크기를 추정하여 피로수명에 미치는 요소들을 분석하였다.

파괴에 미치는 요소들 중 열팽창 불일치뿐만 아니라 의 형태와 크기 또한 중요한 영Solder

향을 미친다 먼저 기판재료와 사이의 열팽창계수의 불일치에 따른 의 발. chip carrier crack

생과 파괴되는 과정을 고찰해 보면 중 재료와 에 실장 되는, power cycling PCB PCB chip

사이에서 발생하는 치수변화와 상대적인 운동을 살펴볼 필요가 있다carder .

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그림 은 온도변화에 마른 와 의 치수변화를 나타낸 그림이다20 PCB chip carrier .

주기적인 온도변화에 따라 치수가 변화하고 이에 따라 접촉계면에서 응력 집중현상이 나타

나며 균열이 생성되는 원인을 제공하고 이 균열이 계속되는 온도변화에 따라 응력을 전달하

는 매개체로써 작용하여 결국 파괴로 이어진다 이때 피로파괴가 주된 원인이 된다 그림. . 21

은 중에 발생하는 균열을 보여주고 그림 는 균열이 전파되어 파괴된 단면power cycling , 22

을 나타낸 그림이다.

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FIG. 20 Dimensional changes of LCCC and glass/epoxy PCB,

during environmental thermal cycling and their effect on solder joints

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FIG. Solder fillet cracking ref.23

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FIG. 22 SOT 23 failures

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위의 과정을 수를 고려하여 함에서 언급한 몇 가지 단계로 나누어 피로파괴power cycling

에 대한 결과를 얻을 수 있었다 첫째 가열 냉각 중에 와 기판재료에 큰 온도차. , - chip carder

를 일으켜 주기적 온도 이력을 얻을 수 있었다.

그림 은 와 의 주기적 온도 이력을 보여 준 것이다23 epoxy/grass ceramic PCB .

FIG. 23 Mean cyclic temperature histories of chip carriers (CC) and

printed circuit substrates(PCS)

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이때 은 에서 정상상태까지 약 분 동안 가열시키고 정상상태로 시간 유power cycle 20 6 1℃

지시킨 뒤 다시 원래 온도까지 분 정도 시간으로 냉각시키는 것으로 이 에30 power cycle

대한 내구성이 매우 중요하다 왜냐하면 낮은 용융온도의 재료들에 있어서 시간과 온도에.

의존하는 응력 이완이 각각의 에서 일어나는 피로손상의 주요한 원인이 되기 때문이cycle

다 여기서 얻어진 주기적 이완과 각 물질에 대한 열팽창 계수를 이용하여 열팽창에 대한.

이력을 다음 식을 사용하여 표시 깔 수 있다 즉 열팽창이력. ,

여기서 는 이고T(t) cyclic temperature histories , T 0는 시 가열전의 온power cycling ,

도를 나타내고 는 재료의 열팽창 계수이다 몇몇 재료에 대한 열팽창 계수를 나타낸 것이.

표 이다4 .

Table 4. Thermal expansion coefficients

이 표의 값을 가지고 그림 에서 얻은 온도이력의 결과로부터 열팽창 이력을 구한 것이 그23

림 이다24 .

둘째 기판재료의 열팽창 이력과 열팽창 이력 차이를 이용하여, chip carrier differential

를 구할 수 있다expansion De(t) .

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이 식으로부터 얻어진 결과를 도식화 한 것이 그림 이다 이 그림 통해서25 . power cycling

재료와 사이에 심한 불일치 현상을 볼 수 있다 여기서 는 에PCB chip carrier . - chip carrier

압축응력이 나타나는 것을 의미하고 는 인장응력을 만드는 것을 나타낸다, + .

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FIG. 24 Thermal expansion histories of chip carriers(CC) and

printed circuit substrates(PCS) determined from temperature

histories given in figure 23

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FIG. 25 Differential expansion histories of chip carriers(CC) and

printed circuit substrates(PCS) determined from expansion

histories given in Figure 24

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의 최대변이는Solder joint

이다 여기서. Lma 은x 사이의 최대 직선거리를 나타내며corner solder joint , Demax =

이다 또한 최대 전단변형은 최대변이와 의 높이의 함수로 나e(t)max - e(t)min . solder joint

타낼 수 있다 즉. , Dc = DLmax 으로 는 의 높이이다/ h , h solder joint .

위에 언급한 과정을 거처 끝으로 피로 수명에 대한 를 얻었다 일반적으로 에 대data . solder

한 피로의 값은 불분명하다 우리에게 가장 좋은 정보를 줄 수 있는 것 중에 하나가 에. Wild

의해 도입된 방법이다 그는 가지 상태로 나누어 조사하였다 즉 에서 시간당. 3 . , 25℃

에서 시간당 그리고 에서 시간당 로 측정하였는데 그림300cycle, 100 300cycle, 25 4cycle℃ ℃

이 이런 방법으로 변형에 따른 피로 수명을 도시한 것이다 이 그림에서 일정한26 . strain

에서 피로 싸이클 수는 진동수의 감소와 온도 증가에 더불어 감소됨을 알 수 있range cycle

다 위의 를 가지고 우리는 최적의 상태를 예측할 수 있는데 의. data solder joint operating

는 정도로 하며 진동수는 시간당 정도로 하는 것이 적당하temperature 100 cycle 4cycle℃

다고 할 수 있다 이 같은 상태에서 피로 값을 유도하는데 단계. Hanson-coffin fatigue-life

를 이용하였다.

- 48 -

여기서 는 피로 연상계수이며 는 피로 싸이클이고 는 피로연성 지수이다 이 식을e'f , Nf , c .

만족하기 위해서는 온도 증가와 감소에 대한 효과는 대수적 관계가 있다는cyclic frequency

과정이 필요하고 이런 가정 하에서 파괴에 대한 수는 최대변이와power cycle solder joint

최대전단 변형 그리고 관계를 이용하여 다음과 같이 나타낼Hanson - soeffin fatigue life

수 있다.

이 식에 표 의5 De max 값과 2e 'f = 0.60 , c =- 0 .42를 이용하여 예측되는 power

수를 의 높이 함수로 나타낸 그림이 그림 이다cycle solder joint 27 .

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FIG. 26 Strain range-fatigue life plots for 63/37 SnPb solder at

various conditions

FIG. 27 Plot of number of predicted power cycles-to-failure as function

of solder joint height for CC and power cycle conditions given in figure 23

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Table 5 Maximum Differential Expansion Material

Material

Epoxy/glassTailored Expansion

Ceramic

0.0640.0190.022

이 그림에서와 같이 재료의 피로수명 뿐만 아니라 재료를 선정하는데 중요한 정보를 제공할

수 있고 이런 과정을 통해 얻어진 재료를 선택했을 때 표면 실장의 신뢰성을 높일 수 있다, .

여기서 얻어진 의 결과를 보면 가장 적합한 재료는 임을 알 수 있data Tailored expansion

다 이 밖에 피로 수명을 높이는데 있어서 중요한 는 를 감소시키는 것과. parameter cc size

임의의 온도변화를 감소시킴으로써 그리고 의 높이를 증가시킴으로써 피로수명solder joint

을 증가시킴을 알 수 있다 한편 의 높이를 증가시킴으로 파괴에 대한. , solder joint power

수가 증가된다고 와 또한 주장하였다 그림 은 에서cycle Werner Engelmator . 28 solder joint

응력을 나타낸 것으로 는 와 사이의 선형변이이며 는 기둥높이 이며f chip carrier PCB , H , d

는 의 지름이다 여기서 알 수 있듯이 결합응력은 의 높이와 의 지름solder . solder joint solder

에 관한 함수로 의 를 감소시킴으로써 파괴에 대한 수는 증가시킴을 알column stress cycle

수 있다.

- 51 -

지금까지 열팽창 계수 불일치에 따른 표면 실장의 신뢰성에 미치는 영향을 살펴보았는데 이

뿐만 아니라 의 형태와 의 또한 신뢰도에 미치는 중요한 요인 중의 하solder solder volume

나이다 의 형태에 관한 논의는 여러 사람에 의해 상이한 주장으로 나타나는데 그 중. Solder

의 하나는 에 적합한 형태는 으로 의 저항성이 높다고 하solder joint rigid solder fillet stress

였고 이에 반해 의 경우 그 자세는 항복이 일어나지 않으나 이들이large rigid joint crack

형성의 원인이 되어 를 전도하는 매개체가 될 수 있어 적당치 못하다고 하며 가장 이stress

상적인 형태는 유도된 를 감소시키며 에 대한 저항 라고 주장하였다joint stress stress joint .

모델로 를 채택하였다 이 같이 의 형태에 대한 논의는 보다slender compliant joint . solder

구체적이며 체계적인 연구를 통해 정립시킬 필요가 있으며 이에 대해 연구가 필요하다.

의 에 따른 표면실장에 미치는 영향은 에 의해 논의되었는데solder volume Hines 5mil joint

시킨 것과 시킨 것을 가지고 중에 발생하는 을10mil joint thermal cycling cracking pattern

조사하였다.

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그림 와 같이 에서는 납으로 덮여 있는 의 이 를29 10 mil joint solder volume electrical failure

늦추는데 효과가 있어 이 에서보다 적게 일어남을 알 수 있다crack 5mi1 .

다시 말해서 의 이 증가되면 접촉계면에서의 응력을 감소시켜 이 일어나solder volume crack

는 것을 지연시킴으로써 파괴에 대한 싸이클 수를 증가시킬 수 있어 표면실장의 신뢰도를

높일 수 있는 하나의 요인이 된다.

FIG. 28 Stresses in solder joints, typical surface-joints are stressed in

shear, while column joints are mainly stressed in bending mode

- 53 -

FIG. 29 Solder thickness effect

- 54 -

6) Optical spacing

의 열적 안정성을 개선하기 위한 중요 요소 중 하나는 이다PCB thermal design . electronic

의 는 온도 증가에 지수적으로 증가한다 분리된 반도체 성분에서component failure rate .

는 다음과 같이 표현된다failure rate .

여기서 ΠE는 환경요소, ΠQ는 품질요소, ΠA는 응용요소, sΠ 2는 전압응력요소, ΠR은 specified

는 형태 또는 구조요소factor, c ,Π ⋋b는 로서basic failure

는 의 조정요소A failure rate , NT 는 항상 요소 는 작업 환경요소P , T , TM은 허용된 최대 접

합온도 는 에서 허용된 최대온도와, T full-scale rating(Ts) T△ M 사이의 온도차 는 작업, S

전자응력에 대한 명시된 전자응력의 비이다.

위에서 볼 수 있는 것처럼 에서 각 성분들의 온도 상승은 조절될 수 있다 허용된 온도PCB .

상승 하에서 의 성분들의 작업을 보증하거나 적절히 들을 배열하기 위해서는PCB PCB PCB

들의 간격을 조절하는 것이 필요하다 최적 간격 하에서 작업할 때 들의 열적 신. component

뢰성은 크게 증가되며 장비의 크기는 감소될 수 있다.

- 55 -

들의 간격은 에서 성분들의 밀도의 정도의 기초 하에서 정의된다 낮은PCB PCB mounting .

밀도에서 의 간격은 이고 높은 밀도에서의mounting PCB b = B - - h/2 , mounting PCBδ

간격은 로서 정의된다 여기서 는 들 사이의 간격 는 들의b = B - - h . b PCB , B PCBδ

간격 는 의 두께 는 에서 성분들의 평균 높이다mounting , PCB , h PCB .δ

본 연구에서 표면온도와 환경온도를 측정하였고 경계층 효과를 피하기 위해 환경온도는 표

면으로부터 떨어진 지점에서 온도를 측정하였다 측정된 성분의 온도와 환경온도는5-10 .㎜

모두 간격 에 관련이 되어있고 비연속적인 배열이었다b .

로부터 온도증가에 따른 의 의존성을 살펴보았으며 이를 그림 에 나타graphical method b 30

내었다 그림 은 손실된 가 일 때 간격 와 표면온도 및 환경온도. 30 heat( power) 15-20watts b

의 관계를 나타낸 것이다 전반적으로 표면온도는 환경온도 보다 이상 높게 나타났으. 10 C。

며 간격 가 일 때 가장 낮은 온도증가를 가져왔다 따라서 최저 간격 는. b 19-23 . b 19-23㎜ ㎜

임을 알 수 있다.

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FIG. 30 Profiles of temperature rise vs spacing at various heat

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결론4.

가 인 은 낮은 축 팽창을 가지고 있기에 에 비해 더 높은1. CTE 27 PPM/ C RO2800 Z FR4。

신뢰도를 나타내고 에서 까지 온도를 증가시켰을 때 축의 이-55 350"C Z Total Expansion℃

증가하는 낮은 을 나타내었다5 6% Thermal Expansion .～

에 의한 시간에 따른 파괴 은 온도 상대습도 빛 에 의2. CAF mechanism , conductor spacing

존하며 온도가 증가함에 따라 파괴에 대한 평균시간이 감소하고 이 증가conductor spacing

할 때 평균시간이 증가하고 상대습도가 높아짐에 따라 감소됨을 알 수 있었다.

두께가 증가함에 따라 의 가 감소됨을 알 수 있었다3. CIC Composite CTE .

크기가 감소 할 때 고장은 증가되며 고장 메카니즘은 피로에 의해 나타낼4.. PTH Copper

수 있고 초기의 고장이 전체 의 파괴에 원인됨을 알 수 있다 신뢰성에 있어서hole . PTH

두께의 효과는 명확하지 않으나 두께와 의 두께는 신뢰성 향CIC core Board Plated Copper

상에 밀접한 관계가 있음을 결론지을 수 있다.

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파괴에 대한 수를 고려함으로써 재료의 피로수명을 예측할 수 있었고 재료5. power cycle

를 선정하는데 중요한 정보를 제공받을 수 있고 이를 통해 얻어진 재료를 선택하였을 때 표

면실장의 신뢰성을 증가시켜 의 신뢰도를 높일 수 있다 또한 이PCB . solder volume conner

의 발생을 감소시키는 요인이 됨을 알 수 있었다crack .

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