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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김호경
- 발행연도
- 2014
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
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최근 전자제품에 사용되는 부품들의 소형화 및 집적화가 급속히 발전함에 따라 소형화된 전자제품의 신뢰성 확보를 위해 전자 패키지의 무연 솔더 접합부에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 휴대 기기의 사용이 증가하면서 굽힘이나 휨 같은 기계적 충격, 또는 낙하 충격과 같은 고속의 동적 하중에 대한 신뢰성 평가의 필요성이 요구되고 있다.
솔더를 이용한 플립칩 패키지는 무연 솔더와 기판의 금속 패드간 접합으로 만들어지기 때문에 각 솔더 연결부에서의 신뢰성이 무엇보다 중요하다. 이러한 솔더 접합부의 신뢰성을 평가하는 방법에는 보드 수준의 완제품 또는 부품을 실장한 기판 등을 반복해서 낙하시키는 시험 방법이 있다. 그러나 이러한 시험 방법은 비용과 시간이 많이 소요된다는 단점이 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 단일 솔더 볼의 인장, 전단 시험을 고속에서 실시함으로써 보드 수준의 시험 시 문제가 되었던 시험편 준비와 시험에 필요한 비용을 절감할 수 있으며 솔더 볼의 충격 파괴 거동 특성을 분석할 수 있다.
본 연구에서는 직경 760 μm의 초소형 Sn-3.0Ag-0.5Cu 단일 솔더 볼 접합부에 대하여 인장 및 전단 하중 상태에서 저속과 고속에서 인장 및 전단 시험이 가능하며, 정교하게 제어가 가능한 초소형 마이크로 시험 장치를 개발하였다. 저속에서 솔더 볼 강도에 대한 전단속도의 영향을 평가하기 위하여 응력과 변형률과 같은 표준화된 변수로 표현하였다. 저속에서 솔더 연결부의 전단 파괴 강도는 전단 변형률 속도가 증가하면서 증가함을 알 수 있었다. 이와 같은 거동은 전단 시험 시 고온에서 실험한 까닭에 솔더 볼 자체의 강도가 변형률 속도에 민감함에 의한 것으로 판단된다. 또한 낮은 변형률 속도에서 불안정한 경계면 파단이 발생한 것으로 관찰되었다. 평균 전단응력과 변형률 속도에 대한 연구 결과는 다른 연구자들의 실험 데이터와 거의 일치하는 양상으로 나타났으며 솔더 연결부의 변형률 속도는 정적 전단시험, 전단 크리프 시험 혹은 동적 압축시험과 같은 시험에 상관없이 응력을 통하여 예측이 가능한 것으로 판단된다.
고속하중 속도에 따른 강도를 평가하는데 필요한 하중속도 제어가 가능한 진자형 소형 충격시험기를 개발하였다. 본 시험기를 이용하여 변위 속도 0.31 ∼ 3.1 m/s에서 단일 솔더 볼에 대하여 고속에서의 인장 시험을 실시한 결과 하중 속도가 증가하면서 최대 인장 저항 값이 감소함을 알 수 있었다. 솔더 연결부의 인장강도는 하중 속도가 증가하면서 21.7 ~ 8.6 MPa로 나타났다. 파단면의 형상을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과 모두 높은 하중 속도로 인하여 파단면이 구리와 솔더 연결부 경계면에서 취성 파단 되었음을 알 수 있었다. 이는 본 연구에서 수행한 변형률 속도가 매우 빨라서 속도가 증가하면서 솔더 연결부의 강도가 감소한 것으로 판단된다. 파단 된 솔더 볼의 SEM 사진 관찰 결과 솔더와 구리 기판 사이의 경계면에 기공이 발견되었으며, 기공을 균열로 간주하여 솔더 연결부 경계면의 동적 파괴인성치를 평가하였다. 본 연구결과에서 Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu 솔더 경계면의 파괴인성치는 1.0 ∼ 1.8 의 범위로 나타났다.
솔더를 이용한 플립칩 패키지는 무연 솔더와 기판의 금속 패드간 접합으로 만들어지기 때문에 각 솔더 연결부에서의 신뢰성이 무엇보다 중요하다. 이러한 솔더 접합부의 신뢰성을 평가하는 방법에는 보드 수준의 완제품 또는 부품을 실장한 기판 등을 반복해서 낙하시키는 시험 방법이 있다. 그러나 이러한 시험 방법은 비용과 시간이 많이 소요된다는 단점이 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 단일 솔더 볼의 인장, 전단 시험을 고속에서 실시함으로써 보드 수준의 시험 시 문제가 되었던 시험편 준비와 시험에 필요한 비용을 절감할 수 있으며 솔더 볼의 충격 파괴 거동 특성을 분석할 수 있다.
본 연구에서는 직경 760 μm의 초소형 Sn-3.0Ag-0.5Cu 단일 솔더 볼 접합부에 대하여 인장 및 전단 하중 상태에서 저속과 고속에서 인장 및 전단 시험이 가능하며, 정교하게 제어가 가능한 초소형 마이크로 시험 장치를 개발하였다. 저속에서 솔더 볼 강도에 대한 전단속도의 영향을 평가하기 위하여 응력과 변형률과 같은 표준화된 변수로 표현하였다. 저속에서 솔더 연결부의 전단 파괴 강도는 전단 변형률 속도가 증가하면서 증가함을 알 수 있었다. 이와 같은 거동은 전단 시험 시 고온에서 실험한 까닭에 솔더 볼 자체의 강도가 변형률 속도에 민감함에 의한 것으로 판단된다. 또한 낮은 변형률 속도에서 불안정한 경계면 파단이 발생한 것으로 관찰되었다. 평균 전단응력과 변형률 속도에 대한 연구 결과는 다른 연구자들의 실험 데이터와 거의 일치하는 양상으로 나타났으며 솔더 연결부의 변형률 속도는 정적 전단시험, 전단 크리프 시험 혹은 동적 압축시험과 같은 시험에 상관없이 응력을 통하여 예측이 가능한 것으로 판단된다.
고속하중 속도에 따른 강도를 평가하는데 필요한 하중속도 제어가 가능한 진자형 소형 충격시험기를 개발하였다. 본 시험기를 이용하여 변위 속도 0.31 ∼ 3.1 m/s에서 단일 솔더 볼에 대하여 고속에서의 인장 시험을 실시한 결과 하중 속도가 증가하면서 최대 인장 저항 값이 감소함을 알 수 있었다. 솔더 연결부의 인장강도는 하중 속도가 증가하면서 21.7 ~ 8.6 MPa로 나타났다. 파단면의 형상을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과 모두 높은 하중 속도로 인하여 파단면이 구리와 솔더 연결부 경계면에서 취성 파단 되었음을 알 수 있었다. 이는 본 연구에서 수행한 변형률 속도가 매우 빨라서 속도가 증가하면서 솔더 연결부의 강도가 감소한 것으로 판단된다. 파단 된 솔더 볼의 SEM 사진 관찰 결과 솔더와 구리 기판 사이의 경계면에 기공이 발견되었으며, 기공을 균열로 간주하여 솔더 연결부 경계면의 동적 파괴인성치를 평가하였다. 본 연구결과에서 Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu 솔더 경계면의 파괴인성치는 1.0 ∼ 1.8 의 범위로 나타났다.
목차
요약표목차그림목차I. 서 론 11. 연구 배경 12. 국내외 기술 동향 23. 관련 연구의 문제점 및 전망 64. 연구의 필요성 7II. 피에조를 이용한 초소형 단일 솔더 볼 연결부의 전단 시험 장치 개발 92.1 시스템 구성 92.2 하중 발생장치의 교정 142.3 변위 센서의 교정 192.4 솔더 시험편 준비 232.5 개발된 전단 시험기 평가 25III. 무연 단일 솔더 볼 연결부의 전단 강도 평가 283.1 실험 장치 283.2 솔더 볼 시험편 제작 293.3 실험 결과 및 고찰 31IV. 마그네틱 파우더 브레이크를 이용한 소형 진자형 충격 시험기 개발 414.1 시스템 개요 414.2 시스템 구성 424.3 속도 조정 및 측정 시스템 교정 484.4 개발된 충격 시험기 평가 53V. 고속 변형률 속도에서의 무연 솔더 볼 연결부의 인장 강도 평가 565.1 실험 개요 565.2 실험 방법 575.3 측정 시스템 교정 595.4 솔더 시험편 준비 615.5 실험 결과 및 고찰 62VI. 결 론 72참고문헌 74영문초록(Abstract) 78
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