Evaluation of Fatigue Life for Lead-Free Solder Joints in a Solid-State Drive under Mechanical and Thermal Cyclic Load

Abstract

Soild-State Drive(SSD)는 플래쉬 메모리를 사용하는 차세대 정보 저장 장치이며, 빠르고, 가볍고, 저소음, 저진동의 이점을 가지고 있어서 Hard Disk Drive(HDD)를 빠르게 대체하고 있다. 다른 전자 제품들과 마찬가지로, SSD는 PCB와 패키지, 그리고 이들을 연결하는 솔더 조인트로 이루어져 있다. 모든 패키지들은 솔더볼을 이용하여 PCB 표면 실장되어 있는 구조로 되어 있으며, 솔더 조인트는 SSD에서 외부 하중에 대하여 가장 취약한 부분이다. 기존에는 납이 포함되어 있는 유연 solder 재질을 사용하였지만, 환경 문제로 인해 무연 solder를 사용한 표면 실장이 의무화 되었다. 그 중에서도 SAC(Sn-Ag-Cu)계열의 무연 solder 는 기존의 유연 solder에 비해 기계적으로 더 강인한 특성을 가지고 있기 때문에 가장 보편적으로 사용되는 solder ball 재료이다. 하지만 SAC 계열의 무연 solder ball은 정적인 하중이나 열 하중에는 강인하지만 drop이나 진동과 같은 동적인 하중에는 취약한 피로 특성을 가진다. 본 논문에서는 각종 상황에서 발생하는 하중에 대한 제품의 신뢰성을 평가하기 위해서, 진동, 장착, 열 반복 하중 하에 SSD의 피로 수명을 평가하였다. 솔더 조인트가 전체 SSD 의 크기에 비해서 매우 작기 때문에, 전역-국부 유한 요소 해석을 진행하였다. 유한 요소 모델은 모달 해석 및 모달 실험에서 나온 고유 진동수 및 고유 모드를 비교하여 약 5% 이내의 오차를 가지도록 하였다. 솔더 재질에 대해서 진동 해석에서는 탄성, 장착 해석에서는 소성, 열 해석에서는 점소성의 물성치를 입력하여 솔더 조인트의 거동을 파악하였다. 실제품을 이용한 진동 실험 및 장착 실험을 개발하여 솔더 조인트에 크랙이 발생한 시점 및 발생한 위치를 보이고 해석결과와 일치하는 것을 확인하였다. 해석에서 계산된 가장 취약한 솔더 볼에서의 응력과 변형률, 실험에서 측정된 하중 반복 횟수를 통해 응력 기반, 변형률 기반의 S-N 선도를 도출하였다. 도출된 S-N 선도를 가지고 더미 솔더볼이 SSD의 수명에 미치는 영향에 대해서도 평가하여 더미 솔더볼이 적용되었을 때 가장 취약한 솔더볼의 응력이 약 2배 감소하여 4.5배 수명 증가 효과가 있는 것을 보였다. 개발된 해석 방법과 도출된 S-N 선도는 각종 전자제품에서의 솔더부 피로 수명을 예측하는데 활용 될 수 있으며, 추후 강건 설계를 통해 제품의 수명을 증가하는데 사용 될 수 있다.