[신소재 공학] Solderball Mechnical 측정 방법

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2006.12.25 / 2019.12.24
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목차: 1. Mechanical Bonding
2. Tensile Preperties
3. Shear Properties
4. Creep
5. Fatigue

본문내용: <그림 1>에서 볼 수 있듯이 종정 Sn-Pb Solder를 Pb-Free Solder로 바꿈에 있어 부품의 내영성강화, 도금재질의 변경, Reflow 온도 재설정, Solder 재료 변경, PCB Design의 변경, 표면처리의 변경 등의 문제가 현재의 과제가 되고 있다. 여기에서는 Solder 재료 변경에 의한 Mechanical Property의 측정으로 여러 Solder 재료들을 비교해 보겠다.
먼저 Solder Ball과 PCB 기판과의 접착력 Test를 위해 Mechanical Bonding Test를 실시하여 Sn-Pb Solder와 Pb-Free Solder 간의 차이를 확인하고 Pb-Free Solder중에서도 각 재료마다의 Mechanical Bonding Test를 실시하여 Bonding Force를 체크한다.
다음으로는 전자 제품을 사용할 때, Packaging 된 Solder 접합부에 Stress와 Strain이 발생하게 되는데 이러한 Stress 및 Strain으로 인해 재료가 파괴되어 전자제품의 고장을 일으키게 되는 것이다. 먼저 Stress를 유발하는 가장 큰 요인으로는 열팽창 계수의 차이를 들 수 있겠다. PCB 기판과 Solder 접합부 및 Silicon die 의 열팽창 계수의 차이로 Shear Stress가 발생하게 된다. 전자 제품 사용 간 스위치를 On/Off 할 때마다 발생하는 열과 냉각상태의 온도차이로 인해 계속해서 Cyclic Shear Stress가 발생하고 결국에는 재료의 파괴로 이어진다. 또한 전자제품 사용 시에 PCB 기판이 휘어짐에 따라서도 접합부에서 Stress가 발생한다.
스위치를 장시간 On 하여 놓으면 Solder에 열이 가해서 Creep이 발생하게 되는데 이 또한 Pb-Free Solder의 Mechanical Property에 큰 영향을 준다.
마지막으로 제품 사용간 열에 의한 Cyclic Stress, 계속되는 진동에 의해 Solder는 Stress를 받게 되는데 이는 Solder 재료의 특성인 극한인장강도(ultimate tensile strength, UTS)까지 힘을 받지 않아도 파괴되어 버리는 Fatigue 현상이 있다.

<그림 1> Mechanical Bonding Test1. Mechanical Bonding Test
기계적 강도 측정법(Mechanical Bonding Test)에는 크게 두 가지가 있는데 <그림 2>와 같이 Shear Test와 Pull Test가 있다. 현재 가장 흔히 쓰이는 방법은 Shear Test로 Solder를 PCB 기판에 접합 후에 현미경으로 관찰하면서 Shear Probe를 움직여서 Solder Ball을 기판으로부터 떼어내는데 가해지는 힘을 계산하여 접합 강도를 측정하는 방법이다.

2. Tensile properties
인장 강도의 측정은 재료에 인장응력을 가해 견디는 강도를 측정한 것이다. 인장응력은 온도의 영향을 많이 받기 때문에 실험은 모든 재료가 같은 온도 하에서 실시되어야 한다. 또한 극한 UTS 측정시에는 온도와 Strain rate를 함께 고려하여야 한다.

3. Shear properties
Shear Property인 Shear Modulus 와 Shear Strength는 위의 인장강도 측정에서 측정된 Elastic Modulus 를 사용하여 다음의 식
......................................... ⑴
을 이용하여 구해 낸다. 는 Shear Modulus, 는 Elastic Modulus, 는 Poisson's ratio로써 여기에서는 0.33으로 가정한다.

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