Solder Fatigue(납땜에 틈이나 균열이 생겨 마침내 파괴되는 현상)는 시간이 지남에 따라 전자조립체에 장애가 발생하는 주요 원인이며, 전자 제품을 제조하는 산업 전반에 걸쳐 심각한 문제가 되고 있다. Solder Fatigue가 발생하면 Solder Joint(납땜 이음) 고장으로 이어질 수 있으며, 이로 인해 제품이 변형되거나 작동불능 상태가 되어 사업, 제품 개발 및 출시 시기에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
Solder Fatigue의 주요 원인은 열팽창 계수(CTE) 불일치이며, 이로 인해 시간이 지남에 따라 Solder Joint(납땜 이음)가 파손되고 개방된다.
CTE가 Solder Joint(납땜 이음)에 미치는 영향
열팽창 계수(CTE)는 온도 변화 중에 물질이 팽창하거나 수축하는 정도를 정량화 하는 재료 속성이다. 제품을 개발할 때 어떤 재료를 사용해야 하는지, 제품 내 부품의 배치를 결정하고, 부품의 수명 주기 동안 Solder Fatigue 위험을 겪을 가능성이 있는지를 파악하기 위해서는 CTE를 정확하게 정량화 하는 것이 중요하다.
단일 부품과 PCB 사이의 과도한 CTE 불일치는 전체 어셈블리에 걸쳐 지속적인 손상을 초래할 수 있다. 예를 들어, 위 그림은 높은 CTE 회로 기판에 납땜 된 낮은 CTE 구성 요소를 보여주는데, 어셈블리가 가열됨에 따라 부품 모양은 상대적으로 변하지 않고 기판이 확장되어 solder ball(부품의 부착을 자동적으로 하는 경우에 사용하는 납 알갱이)을 잡아당긴다. 어셈블리가 원래의 무 응력 온도 이하로 냉각되면 반대 효과가 발생한다. 시간이 흐르면서 높은 온도에서 낮은 온도로 순환함에 따라(power cycling, 일교차 효과 또는 기타 시스템 효과로 인해) Solder Fatigue가 발생하고 결국 파손된다.
과도하게 구속된 보드(PCB)
기존의 CTE 불일치 외에도, Solder Fatigue는 하우징에 비해 CTE가 크게 다른 필요 이상으로 구속된 PCB(인쇄 회로 기판)에서 발생할 수 있다. 이 경우 열 배출 중에 보드가 과도하게 휘어질 수 있는데, 일반적으로 이러한 현상은 단단한 금속 하우징에 볼트로 고정 된 보드가 항공 우주 또는 자동차와 같은 극한의 환경으로 적용될때 발생한다.
예를 들어, 알루미늄 하우징에 볼트로 고정된 보드를 생각해보자. 견고한 알루미늄 하우징은 상대적으로 유연한 회로 기판보다 빠르게 확장 및 수축되는데, 팽창 및 수축 시 하우징이 구부러져 Solder Joint에 응력이 가해질 수 있다.
PCB와 하우징 사이의 불일치를 이해하는 것은 열 팽창 중에 보드가 어떻게 구부러질 수 있는지 평가할 때 중요하다.
포팅, 코팅 및 언더필의 유리 전이 효과
재료의 유리 전이 온도는 재료의 강성과 팽창 특성이 변화하는 대략적인 온도이다. 유리 전이 온도 이상에서는 재료가 더 부드럽고 고무와 비슷하며 팽창 계수가 더 높다. 이 온도 이하에서는 재료가 더 단단하고 유리와 비슷하며 팽창 계수는 더 낮다.
재료를 선택하고 Solder Joint의 신뢰성을 평가하기 위해 시뮬레이션 할 때 유리 전이 온도의 중요성을 이해하는 것은 필수적이다. 예를 들어, Solder Joint에 균열이 생기면 부품 본체와 기판을 연결하는 아크릴 보호막이 유리 전이 효과로 인해 열 주기의 가장 차가운 지점에서 손상을 입을 수 있다. 아크릴은 약 15C(59F)에 유리 전이 효과가 발생한다. 이 온도 이하로 냉각되면 매우 딱딱 해져 Solder Joint가 부서지고 열 주기 마다 손상이 증가한다.
특히 전이 영역에서 작동하려는 경우 이러한 소재의 CTE 및 유리 전이 온도를 이해하는 것이 매우 중요하다.
Solder Fatigue 예측
CTE 관련 문제는 다양한 방식으로 열 순환 동안 Solder Joint의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다. 그 영향은 복잡하며 설계 규칙이나 엔지니어링 경험에 의지하는 것은 한계가 있다. 시뮬레이션은 전자 부품 내의 Solder Fatigue 위험을 정확하게 예측하는 데 필요한 솔루션과 방법론을 제공한다.
보드 수준에서 일반적인 Solder Fatigue 예측 방법은 초기 설계 단계의 구성 요소, 보드 및 시스템 수준에서 수명 예측을 제공하는 고장 물리학(PoF) 기반 전자 설계를 사용하는 시뮬레이션 소프트웨어인 Ansys Sherlock에 포함된 것과 같은 폐쇄형 Solder Fatigue 고장 모델을 사용하는 것이다. Sherlock 내부의 폐쇄형 방정식은 부품 및 PCB 재료, 부품 크기, Solder 재료 및 기타 요소를 고려하여 전자조립체의 모든 부품에 대한 Solder Fatigue 위험을 빠르게 예측한다.
부품 수준에서 Ansys Mechanical 내부의 상세한 3D 시뮬레이션을 사용하여 열 주기 동안 단일 부품의 중요한 Solder Joint에 누적된 creep work를 계산할 수 있다. 이 출력은 다양한 기존 powerlaw 공식과 함께 사용되어 고장 주기 수에 대한 예측을 생성할 수 있다.
어떤 유한 요소 분석(FEA) 방법을 사용하든 CTE 입력이 정확하지 않으면 Solder Fatigue 예측은 정확하지 않을 것이다. 전자 산업에서 보드 및 부품 라미네이트는 종종 물리적 측정 없이는 CTE를 추정하기 어려운 복잡한 구조를 가지고 있다. Ansys는 종종 정확한 재료 속성 입력을 보장하기 위해 Solder Fatigue 시뮬레이션 활동을 시작할 때 CTE의 디지털 이미지 코릴레이션(DIC) 측정을 수행한다.
결론
Solder Fatigue는 전자 제품 세계에서 여전히 고장의 주요 원인으로 남아 있다. 전자 제품을 설계하고 제조하는 대부분의 기업들이 이 문제를 경험했을 가능성이 높다. 부품 및 PCB CTE를 정확하게 정량화하고 정보에 입각한 열 순환 시뮬레이션을 수행하여 솔더 피로 여부 및 여러 위험요소에 대한 해법을 제공한다.
출처 : Ansys Solder Fatigue Causes and Prevention
