땜납 피로

땜납 피로란 반복하중에 의한 변형에 의한 땜납의 기계적 성능저하를 말한다.이는 반복적인 온도 변동, 기계적 진동 또는 기계적 부하로 인한 땜납의 항복 응력보다 낮은 응력 수준에서 종종 발생할 수 있다.땜납 피로 거동을 평가하는 기법에는 유한요소해석과 반분석적 폐쇄형 방정식이 포함된다.^[1]

개요

솔더는 전자 조립체에서 구성품과 인쇄회로기판(PCB) 기질 사이에 전기적, 열적, 기계적 상호 연결을 형성하는 데 사용되는 금속 합금이다.다른 형태의 순환하중은 솔더 피로를 유발하는 것으로 알려져 있지만, 전자고장의 가장 큰 부분은 온도 사이클링으로 인한^[2] 열역학적으로 구동되는 것으로 추정되었다.^[3]열 순환에서는 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인해 땜납에 응력이 발생한다.이로 인해 솔더 조인트는 크리프와 가소성을 통해 회복 불가능한 변형을 경험하게 되며, 이는 누적되어 열화 및 최종적인 파단으로 이어진다.

역사적으로, 깡통 납땜자들은 전자 산업에서 사용되는 일반적인 합금이었다.아직 엄선된 산업과 애플리케이션에서 사용되고 있지만, RoHS 규제 요건으로 인해 납 없는 판매업자의 인기가 현저히 높아졌다.이 새로운 경향은 납이 없는 판매자들의 행동을 이해할 필요성을 증가시켰다.

다양한 솔더 합금의 크리프-피로 거동을 특징짓고 Physical of Failure 접근법을 사용하여 예측 생명 손상 모델을 개발하기 위해 많은 작업이 수행되었다.이러한 모델은 땜납 조인트 신뢰도를 평가하려고 할 때 종종 사용된다.솔더 조인트의 피로 수명은 합금 형식과 그에 따른 미세구조, 접합 기하학, 구성 요소 재료 특성, PCB 기판 재료 특성, 하중 조건 및 어셈블리의 경계 조건 등 몇 가지 요인에 따라 달라진다.

열역학 땜납 피로

제품의 작동 수명 동안 부품 전원 소산으로 인한 애플리케이션별 온도 편차 및 자체 발열로 인한 온도 변동을 겪는다.구성 요소, 구성 요소 리드, PCB 기질 및 시스템 수준 효과^[4] 사이의 열팽창 계수(CTE)의 전역 및 국소 불일치가 상호 연결(즉, 솔더 조인트)의 응력을 유도한다.반복적인 온도 순환은 결국 열역학 피로로 이어진다.

다양한 솔더 합금의 변형 특성은 구성의 차이와 그에 따른 미세 구조로 인해 마이크로 스케일로 설명할 수 있다.구성상의 차이는 위상, 곡물 크기 및 금속 간 차이로 이어진다.이는 탈구 운동, 확산 및 곡물 경계 슬라이딩과 같은 변형 메커니즘에 대한 민감성에 영향을 미친다.열 사이클링 중 땜납의 미세구조(곡선/파스)는 에너지가 관절에서 방출될 때 응고되는^[5] 경향이 있다.이는 결국 균열 개시 및 전파로 이어지며, 이는 누적 피로 손상이라고 말할 수 있다.^[6]

땜납의 그 결과로 발생하는 벌크 거동은 상승 온도에 대한 민감도를 가진 점탄성(즉, 비탄성 변형률에 따른 속도)으로 설명된다.대부분의 매도자는 운용 수명 동안 용해 온도(고원성 온도)에 가까운 온도 노출을 경험하며, 그로 인해 상당한 크리프에 취약해진다.납과 무납땜납의 크리프 특성을 포착하기 위해 여러 구성 모델이 개발되었다.크리프 동작은 1차, 2차, 3차 크리프의 3단계로 설명할 수 있다.솔더를 모델링할 때 스테디 스테이트 크리프(일정한 변형률)라고도 하는 2차 크리프는 종종 전자제품에서 솔더 동작을 설명하기 위한 관심 영역이다.일부 모델에는 1차 크리프도 통합되어 있다.가장 인기 있는 모델 중 두 가지는 가루팔로와^[7] 아난드가^[8][9] 땜납의 안정 상태 크리프를 특징짓기 위해 개발한 쌍곡선 사인 모델이다.이러한 모델 매개변수는 부하에 대한 솔더 반응을 적절히 특성화하기 위해 FEA 시뮬레이션에서 입력으로 통합되는 경우가 많다.

피로모델

땜납 손상 모델은 손상 메커니즘 프로세스의 중요한 척도인 물리적 매개변수(즉, 비탄성 변형률 범위 또는 분산 변형률 에너지 밀도)를 고장 주기 사이클에 연관시켜 고장 물리 기반 접근방식을 취한다.물리적 매개변수와 실패에 대한 사이클 간의 관계는 일반적으로 재료 종속 모델 상수와의 전력 법칙 또는 수정된 전력 법칙 관계를 채택한다.이러한 모델 상수는 다양한 솔더 합금에 대한 실험 시험과 시뮬레이션에서 적합하다.복합재하구획의 경우, 누적손상을 산출하기 위해 광부의 선형중첩손상법을^[10] 채용한다.

코브-맨슨 모델

일반화된 Corn-Manson^{[11][12][13][14]} 모델은 바스킨의 방정식을^[15] 통합하여 탄성 및 플라스틱 변형 범위를 고려하고 다음과 같은 형태를 취한다.

${\displaystyle {\frac {\delta \epsilon }{2}}={\frac {\sigma _{f}-\sigma _{m}}}{b}+\epsilon _{f}^{f}}}:{c}}}}}$

여기서 ∆⁄ ½은 탄성-플라스틱 순환 변형률 범위를 나타내고, E는 탄성 계수를 나타내고, σ은_m 스트레스를 나타내며, N은_f 고장에 대한 주기를 나타낸다.나머지 변수, 즉 namely_f,ε',_fb,c는 피로 계수 및 재료 모델 상수를 나타내는 지수다.일반화된 관-만손 모델은 탄성 변형과 저주기의 피로(LCF)가 주로 소성 변형으로 인한 고주파 피로(HCF)의 영향을 설명한다.

엥겔마이어 모델

1980년대에 엥겔마이어는 와일드(Wild)의 작업과 연계하여,^[16][17] 주파수 및 온도의 영향과 같은 관-만손 모델의 일부 한계를 설명하는 모델을 제안했다.그의 모델도 비슷한 권력법 형식을 취하고 있다.

${\displaystyle N_{f}(50\%)={\frac{1}{2}}({\frac {\delta \delta \gamma }}{2\epsilon '_{f}}}^{\frac {1}{c}}}}}}}}}}}$

${\displaystyle c=-0.442-6\cdot 10^{-4}T_{s}+1.74\cdot 10^{-2}\ln(1+f)}$

엥겔마이어는 총 전단 변형률( (γ)을 고장 주기(N_f)에 연관시킨다. c는 _f열 순환(T)과 열 순환 주파수(f_s) 중 평균 온도의 함수인 모델 상수다.

${\displaystyle \Delta \gamma =C({\frac {L_{D}}{h_{s}}})\Delta \alpha \Delta T}$

∆γ는 중성점(L_D) 솔더 조인트 높이(h_s), 열팽창 계수(∆α), 온도 변화(ΔT)로부터의 거리의 함수로서 계산할 수 있다.이 경우 C는 경험적 모델 상수다.

이 모델은 처음에 주석 납땜이 있는 납 없는 장치에 대해 제안되었다.이 모델은 이후 엥겔마이어 등에^[who?] 의해 납성분, 열순환 체류시간, 납이 없는 땜질분자 등의 다른 현상을 고려하여 수정되었다.처음에는 시험이나 간단한 가속도 변환과 같은 땜납 피로 예측을 위한 다른 기법보다 상당히 개선되었지만, 이제는 일반적으로 엥겔마이어와 변형률 범위를 기반으로 하는 다른 모델들이 충분한 정확도를 제공하지 못한다는 것이 인정되고^{[citation needed]} 있다.

다르보 모형

Darveaux는^[18][19] 특성 주기에 대한 부피 가중 평균 비탄성 작업 밀도의 수량, 균열 개시 주기 수, 균열 확산률과 고장 주기 간의 관계를 나타내는 모델을 제안했다.

${\displaystyle N_{0}=K_{1}\Delta W_{avg}^{K_{2}}}$

${\displaystyle {\frac {da}{d.N}}=K_{3}\Delta W_{avg}^{K_{4}}}}$

${\displaystyle N_{f}=N_{0}+{\frac {a}{da/dN}}=K_{1}\Delta W_{avg}^{K_{2}}+{\frac {a}{K_{3}\Delta W_{avg}^{K_{4}}}}}}}}}}$

첫 번째 방정식 N은₀ 균열 개시 사이클 수를 나타내고, ∆W는 비탄성 작업 밀도를 나타내며, K와₁ K는₂ 재료 모델 상수를 나타낸다.두 번째 방정식에서 da/dN은 균열 prorogation 비율을 나타내고, ∆W는 비탄성 작업 밀도를 나타내며, K와₃ K는₄ 재료 모델 상수를 나타낸다.이 경우 균열 전파 속도는 거의 일정하다고 추정된다.N은_f 고장까지의 특성 주기를 나타내며, a는 특성 균열 길이를 나타낸다.모델 상수는 실험 시험과 유한 요소 분석(FEA) 시뮬레이션을 조합하여 다양한 솔더 합금에 적합할 수 있다.

다보 모델은 여러 저자에 의해 비교적 정확한 것으로 밝혀졌다.^[20][21]그러나 필요한 전문성, 복잡성 및 시뮬레이션 자원으로 인해 그것의 사용은 주로 부품 포장을 평가하는 부품 제조업체에 제한되어 왔다.모델은 전체 인쇄 회로 조립체에서 땜납 피로 모델링과 관련하여 승인을 받지 못했으며 땜납 피로도에 대한 시스템 수준 효과(삼축성)를 예측하는 데 부정확한 것으로 확인되었다.^[22]

블라타우 모델

현재 전 세계^{[citation needed]} 대다수 전자 OEM이 선호하는 솔더 접합 피로 모델은 셜록 자동설계 분석 소프트웨어에서 이용할 수 있는 블라타우 모델이다.블라타우 모델은 위에서 논의된 이전 모델의 진화다^{[citation needed]}.블라타우는 고전 역학을 기반으로 한 폐쇄형 방정식을 사용하여 솔더 인터커넥트에 가해지는 응력과 스트레인을 계산하면서 Darveaux가 제안한 변형 에너지의 사용을 통합한다.^[23]단순한 납이 없는 칩 구성 요소에 대한 이러한 응력/스트레인 계산의 예는 다음 방정식에 나와 있다.

${\displaystyle(\alpha _{1}-\alpha _{2})\cdot \Delta T\cdot L_{D}=F\cdot({\frac {L_{D}}}{E_{1})\cdot{1}}A_{1}}+{\frac {L_{D}}{E_{2}A_{2}}}+{\frac {h_{S}{A_{s}G_{s}}+{\frac {h_{c}}{{}}}}{\frac {h_{c}}}}}}{A_{s}}}}}}}}{\frac}}}}A_{c}G_{c}}+({\frac {2-\nu }{9G_{b}a}})}$

여기서 α는 CTE, T는 온도, L은_D 중성점까지의 거리, E는 탄성계수, A는 면적, h는 두께, G는 전단계수, ν은 포아송 비율, a는 구리 본드 패드의 가장자리 길이.첨자 1은 구성 요소를, 2와 b는 보드를, s는 솔더 조인트를 가리킨다.그런 다음 이 계산된 힘을 유효 솔더 접합 영역으로 나누어 전단 응력(shear stress)을 계산한다.변형 에너지는 전단 변형률 범위와 다음 관계에서 발생하는 전단 응력을 사용하여 계산한다.

${\displaystyle \Delta W={\frac {1}{2}}\Delta \delta \tau }$

이것은 히스테리시스 루프가 대략 등각형 모양이라는 것에 근사이에 가깝다.Blattau는 이 변형 에너지 값을 Syed가^[24] 개발한 모델과 함께 사용하여 소멸된 변형 에너지를 고장에 대한 사이클과 연관시킨다.

기타 피로 모델

노리스-랜즈버그 모델은 수정된 코브-맨슨 모델이다.^[25][26]

추가 변형률 범위와 변형률 에너지 기반 모델은 다른 여러 모델에 의해 제안되었다.^[24][27][28]

진동 및 주기적 기계적 피로

열역학 땜납 피로만큼 만연하지는 않지만 진동 피로와 주기적 기계적 피로도 땜납 고장의 원인이 되는 것으로 알려져 있다.진동 피로는 일반적으로 탄성 변형에 의해 구동되는 손상과 때로는 소성 변형에 의해 구동되는 고주기 피로(HCF)로 간주된다.이것은 고조파 진동과 무작위 진동에 대한 입력값에 따라 달라질 수 있다.스타인버그는^[29] 계산된 보드 변위를 바탕으로 고장 시간을 예측하는 진동 모델을 개발했다.이 모델은 전력 스펙트럼 밀도 또는 가속 시간 이력, 회로 카드의 자연 주파수, 투과율과 같은 입력 진동 프로필을 고려한다.블라타우는 변위보다는 보드 레벨의 변형을 사용하고 개별 패키지 타입에 민감성을 갖는 수정된 스타인버그 모델을^[30] 개발했다.

또한 저온 기계적 순환은 일반적으로 LCF와 HCF 변형률 범위 또는 변형률 에너지 모델의 조합으로 모델링된다.땜납 합금, 조립 형상 및 재료, 경계 조건 및 하중 조건은 피로 손상이 탄성(HCF) 또는 플라스틱(LCF) 손상에 의해 지배되는지 여부에 영향을 미칠 것이다.낮은 온도와 빠른 변형률에서 크리프는 거의 최소로 추정할 수 있으며 모든 비탄성 손상은 가소성에 의해 지배될 것이다.일반화 관-만슨 모델과 같은 이러한 유형의 사례에는 여러 변형률 범위와 변형 에너지 모델이 채택되었다.이 경우, 다양한 합금에 대한 다양한 손상 모델의 모델 상수를 특성화하기 위해 많은 작업이 수행되었다.

참고 항목

• 콜드 솔더 조인트
• 크리프(변형)
• 피로(재료)
• 가소성(물리학)
• 포팅(전자공학)
• 진동 피로

참조

추가 읽기

• https://code541.gsfc.nasa.gov/publications 재료 팁(기술 정보 문서)(2020년 7월 현재 보류)
• https://web.archive.org/web/20161227021306/https://code541.gsfc.nasa.gov/Uploads_materials_tips_PDFs/TIP%20090R.pdf 재료 엔지니어링 분기 TIP* No. 090 솔더 이음매 피로 균열, Carl L.해너, 1987, 2003. (자료집)

외부 링크

• 땜납관절 피로계산기