전자패키지 Ball grid array 소더 조인트의 기계적 피로 특성에 관한 연구

Abstract

전자 패키지가 경박 단소화 됨에 따른 BGA 소더 조인트의 사용 증가와 환경 규제의 영향으로 인하여 무연 소더에 대한 요구가 급박하게 대두됨에 따라 무연 BGA 소더 조인트의 신뢰성 평가에 대한 체계적인 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 BGA 구조를 갖는 무연 소더의 신뢰성 평가를 위해, 실제 BGA 소더 조인트 시편을 대상으로 하여, 등온 피로 실험 및 탄소성 크리프 물성 측정을 위한 실험 방법들을 제안하고 유한요소 해석과 연계하여 소더 조인트의 신뢰성을 평가하기 위한 체계를 수립하고자 하였다. 이를 위하여 소더 조인트의 피로 실험 및 크리프 실험을 위한 정밀 하중 변위 제어 시험기를 제작하고 변형률 측정 장비를 개발하여 보정하였다. 개발된 시험기를 사용하여, Eutectic SnPb, SnAgCu를 대상으로 복합하중하에서의 피로 실험을 수행하고 상온에서 복합하중에 따른 피로 수명을 평가하였다. 또한 무연 소더의 피로 특성을 평가하기 위하여 Sn3.5Ag, Sn3.5Ag0.75Cu, Sn3.5Ag1.5Cu, Sn3.5Ag2.5Bi, Sn3.5Ag7.5Bi, Sn0.7Cu의 조성을 갖는 소더 조인트의 전단 피로 실험을 통하여 각 무연 소더들의 피로 수명을 비교 평가 하였다. 아울러 각 무연 소더들의 Ni/Au UBM과 Cu UBM사이의 소더 조인트의 피로 실험을 비교하여 UBM과 무연 소더 사이의 계면 반응에 따른 신뢰성을 검토하였다. 여러 온도 조건에서 열피로 하중을 받는 소더 조인트의 신뢰성 평가를 위하여, 고온 저주기 피로 실험 및 크리프-피로 실험을 수행하고, 수명 예측을 위한 손상 인자를 검토하였다. 아울러 전자 패키지의 소더 조인트의 신뢰성을 평가하기 위해서는, 손상 인자 및 변형 거동을 정확히 모사하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 실제 소더 조인트를 대상으로 유한요소 해석 등에 사용될 수 있는 실제적인 물성인 탄소성 및 크리프 물성을 평가하기 위한 실험 방법을 제안하고 SnAgCu 소더 재료의 물성을 얻었다.