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ANSYS 블로그

July 31, 2019

구형 결합 실패에 대한 상위 5개이유

보다 오래된 조인트 신뢰성은 전자 시스템의 설계에 있어서 종종 골칫 거리입니다. 다양한 요인이 솔더 조인트 신뢰성에 영향을 미치며, 이들 중 임의의 것이 조인트 수명을 크게 감소시킬 수 있다. 설계 및 제조 프로세스 동안 솔더 조인트 실패의 잠재적인 원인들을 정확하게 식별하고 완화시키는 것은 제품 수명 주기에서 나중에 비용이 많이 들고 해결하기 어려운 문제들을 방지할 수 있다. 고려할 가장 일반적으로 관찰되는 솔더 결합 실패 원인 중 일부는 여기에 설명되어 있습니다.

납땜 피로 원인 및 방지 블로그에서 전자 구성요소의 납땜 피로를 방지하는 방법에 대해 자세히 학습하십시오

1. Potting, Under채운및 Conformal Coatings의 의도하지 않은 St레스

포팅(potting), 코팅(coating), 스테이킹(staking) 재료 및 기타 인캡슐런트(encapsulants)는 어셈블리를 손상시킬 수 있는 환경 조건으로부터 보호하기 위해 전자 산업에서 정기적으로 사용됩니다. 그러나 이러한 고분자 재료는 크게 변하는 열적 및 기계적 특성을 가질 수 있습니다. 코팅 및 포팅의 재료 특성을 설계 프로세스 중에 이해하지 못하면 솔더 조인트 신뢰성에 부정적인 영향을 미치는 복잡한 하중 조건을 생성할 수 있습니다.


포팅이 팽창함에 따라, 솔더 볼은 스트레스를 경험합니다. 

예를 들어, 어셈블리가 딥 코팅되면, 코팅은 볼 그리드 어레이 (BGAs) 및 쿼드 플랫 (quad-flat no-lead) (QFN) 과 같은 부품들 아래로 흐를 것입니다. 코팅은 열 순환 동안 팽창될 것이며, 기판으로부터 부품을 들어올리고, 땜납 조인트에 인장 응력을 부가할 수 있습니다.

특정 구성요소 장착 조건 및 포팅/코팅 적용 기술은 구성요소 솔더 조인트-유사 인장 응력에 대한 원하지 않는 응력을 생성할 수 있다. 사용되는 포팅/코팅의 재료 특성에 따라, 이들 응력은 솔더 조인트 피로 (solder joint fatigue life) 에 큰 영향을 주기에 충분히 클 수 있다.

포팅 또는 코팅을 지정할 때 고려해야 할 가장 중요한 재료 특성은 유리 전이 온도, 모듈러스 및 유리 전이 온도보다 높은 열 팽창 계수이다. 유리 전이 온도는 재료가 경질/유리와 유사하고 부드러운 것과 유사한 일관성 사이에서 전이되는 온도를 말한다.

납땜 피로 원인 및 예방 블로그 에서 포팅, 코팅 및 언더필에 대한 유리 전이 효과에 대해 자세히 알아보십시오.

포팅의 한 가지 일반적인 문제점은 예기치 않은 높은 유리 전이 온도가 제품 디자인 프로세스 동안 완전히 이해되지 않은 물질과 관련되는 경우이다. 전자 포팅에 사용되는 일부 중합체에서, 탄성 계수는 재료가 유리 전이 온도 이하로 냉각될 때 20배만큼 증가할 수 있다.

열 사이클이 이러한 재료의 유리 전이 온도 아래로 연장되는 경우, 저온 드웰 동안 땜납에 의해 경험되는 응력 및 결과적인 크리프 (creep) 균주는 높은 손상을 입을 것이다. 이 효과는 피로수명을 크게 줄일 수 있습니다.

여기에 언급된 예제는 포팅, 코팅 또는 언더필의 열적 및 기계적 재료 특성을 완전히 이해하지 못한 결과로 발생할 수 있는 복잡하고 유해한 로딩 조건의 일부일 뿐입니다.

포팅 및 코팅과 관련된 신뢰도 문제에 대해 학습하려면 아래의 웨비나를 보십시오.

코팅 및 포팅에 대해 설명하는 기록된 웨비나입니다. 

 

2. 예기치 않은 온도 사이클링 지수

예기치 않은 솔더 조인트 실패의 또 다른 일반적인 원인은 전자 시스템에 의해 경험되는 온도 사이클링 파라미터들의 부정확한 특성이다. 예를 들어, 온/오프 주기, 직사일광에 대한 노출, 서로 다른 기후 사이의 이동 및 여러 다른 소스가 인쇄회로기판 어셈블리 (PCBA) 또는 구성요소에 예기치 않은 온도 변동을 추가할 수 있습니다.

전자 시스템의 가장 정확한 신뢰성 지표를 생성하려면, FEA (finite element analysis) 시뮬레이션 또는 실제 제품 자격 조건을 실행하기 전에 경험이 필요한 온도 사이클링에 대한 상세한 특성화가 필요합니다.

Ansys 셜록 팀은 Blattau 모델로 피로수명 예측을 생성하는 데 성공했습니다. 이 모델은 온도 범위, 체류 시간 및 온도 경사율에 매우 의존하는 피로 수명을 보여주는 반-경험적 에너지 기반 모델이다. 램프, 드웰, 최대 온도 및 최소 온도가 설계 또는 테스트 프로세스 중에 완전히 이해되지 않는 경우, 제품의 신뢰성에 영향을 주는 핵심 요소를 간과할 수 있습니다.

또한 어셈블리에 포팅 또는 기타 중합체가 포함되어 있는 경우 위에서 설명한 유리 전이 문제가 발생할 위험은 최대 및 최소 온도가 정확하게 판별되지 않는 경우에 증가합니다.

3. 기계적 과응력 이벤트

기계적 과응력 실패는 솔더 조인트가 기계적인 이벤트 (예: 충격, 드롭, 인 회로 테스트, 보드 탈착기, 커넥터 삽입 또는 PCBA 삽입) 중에 과도한 로드를 경험할 때 발생합니다.

과도한 스트레스 장애는 예측하기 어려운 경우가 많으므로 예방하기 어려울 수 있습니다. 충격 테스트 연구는 최상의 솔루션은 이러한 실패의 랜덤 장애 분배임을 제시합니다.

IMC를 따른 골절

구형 관절 과응력 실패는 일반적으로 금속간 연결 (IMC) 을 따라 패드 크레이터 또는 조인트 골절로 나타난다. 패드 분화구는 솔더 접합부 (solder joint) 의 구리 패드 아래의 라미네이트 층 내의 크레이터 (crter-shaped) 크랙 (crter-shaped crack) 이다. IMC는 구리 패드 및 솔더가 결합하여 Cu3Sn 또는 Cu6Sn5를 형성하는 영역입니다. 이 영역은 솔더 조인트의 가장 부서지기 쉬운 영역이며, 이 영역이 오버스트레스에 가장 민감한 영역입니다.

이러한 타입의 실패는 전형적으로 더 미세한 피치 성분들 - 주로 BGAs-또는 특히 취성 적층체들이 사용되는 경우에 나타난다. 패드 분쇄는 종종 흔적 골절로 이어지기 때문에 심각한 문제입니다. 일반적으로 벌크 솔더 조인트의 벌크를 통해 발생하는 피로감 균열과는 대조적으로, 기계적인 오버스트레스 장애가 관절 골절로 나타나는 경우 일반적으로 IMC를 따라 발생합니다.

기계적인 이벤트 실패는 PCB 경계 조건 및 기하학적 구조에 따라 크게 좌우될 수 있으므로, FEA는 일반적으로 기계적인 과응력 위험을 예측하는 것이 좋습니다. 복잡한 로딩 조건 또는 보드 형태는 다른 방법으로 예측하기 어렵다. 또한 FEA는 변형 및 곡률 정량화를 허용합니다.

전자 조립품의 충격 관련 장애를 줄이는 방법에 대해 설명하는 훌륭한 자원입니다.

신뢰성 보장에 대해 설명하는 웨비나 레코딩
기계적인 충격으로 

 

4. PCBA 과도 제약 조건

PCBA 과제한 조건에는 다음이 포함됩니다.

  • 구성요소 미러링
  • 보드 마운팅 조건
  • 하우징에 대한 연결

이들은 종종 솔더 조인트의 수명에 상당한 영향을 미칠 수 있는 디자인 기능을 간과하고 있습니다.

마운트 포인트 및 기타 보드 제한조건은 열 팽창, 기계적 충격 이벤트 및 진동 중 보드 변형 크기 및 위치에 상당한 영향을 줍니다.


제한조건

에 있는 회로의 열 기계적 반영

제한조건은 보드 준수를 줄이고 너무 가까이 위치한 구성요소의 조기 솔더 조인트 실패를 야기할 수 있는 보드 변형을 작성합니다. 또한 마운트 포인트의 전체 레이아웃은 PCBA의 가능한 모드 형태에 직접적으로 영향을 미칩니다.

이들 모드 형상이 잘 이해되지 않는 경우, 보드는 높은 보드 변형 영역에 민감한 구성요소를 배치하는 방식으로 설계될 수 있습니다. FEA는 사용자가 다른 마운팅 조건을 반복할 수 있도록 하기 때문에 이 문제를 해결하기 위한 강력한 완화 도구입니다.

구성요소 미러링은 솔더 조인트 수명에 부정적인 영향을 줄 수 있는 또 다른 일반적인 과제한 조건입니다. 미러링은 PCBA의 양측에서 유사한 위치에 있는 두 구성요소의 위치를 나타냅니다.


제어 보드 및 미러 보드의 시뮬레이션

미러링은 땜납 조인트에 추가적인 스트레스를 발생시키는 보드 모션을 제한하여 구성요소의 패키지 준수를 감소시킵니다. 연구에 따르면 구성요소 미러링은 2또는 3의 요인으로 피로 수명을 줄일 수 있음을 의미합니다.

솔더 조인트 신뢰성에 대한 시스템 레벨 효과를 설명하는 훌륭한 자료입니다.


에서 시스템 레벨 효과를 토론하는 웨비나 레코딩 솔더 조인트 신뢰성입니다.

5. 결함이 있는 솔

위에서 언급한 모든 완화 전략은 솔더 조인트 품질이 불량한 경우 솔더 조인트 신뢰성 문제를 방지하지 않습니다. 이러한 이유로 엄격하게 제어되는 프로세스를 사용하는 거부 가능한 제조업체를 사용하여 PCBAs를 구축해야 합니다.

신뢰성에 부정적인 영향을 줄 수 있는 다양한 솔더 조인트 결함이 존재합니다. 제조업체 품질 메트릭이 달성되도록 PCBAs가 필드에 도달하기 전에 솔더 접합부의 교차 부분 및 시각적 검사를 수행해야 합니다.

IPC, Association Connecting Electronics Industries는 모든 유형의 땜납 조인트에 대한 제조 표준 및 허용 기준을 제공합니다. 이들은 일반적으로 고품질의 솔더 조인트를 만들기 위한 업계 표준으로 간주됩니다.

Ansys Sherlock 납땜 장애를 완화하는 또 다른 유용한 도구입니다. 이 솔루션은 신뢰성 물리학과 실패 (PoF) 기반의 전자 설계를 제공하는 자동화된 설계 분석 소프트웨어 솔루션이다. 땜납 피로를 예측하는 데 도움이 되는 방법을 학습하려면 Ansys 셜록: 자동화된 디자인 분석을 읽어보십시오.

또는 기록된 웨비나 ( Introduction to Reliability Physics Analysis) 를 보십시오.

Ansys가 귀사를 위해 무엇을 할 수 있는지 알아보십시오.

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