복합 스트레스 환경에서 전자부품용 소재의 신뢰성 분석

Abstract

In this dissertation, a combined test in a combined stresses environment similar to the actual environment is designed and performed, and the reliability of electronic materials is analyzed in the combined stresses environment by conducting combined tests on materials used for electronic components. In order to analyze reliability, two types of materials for electronic components are considered and combined tests are conducted in the following combined stresses environments. First, a combined high-temperature and light test (HTLT) is conducted on silicone encapsulant used in LED (Light Emitting Diode) packages, and second, a combined thermal shock and vibration test (TSVT) is designed and conducted on three lead (Pb)-free solders that bond electronic components to circuit boards. First, high-temperature tests are conducted on silicone encapsulant samples at 85 °C and 120 °C to demonstrate the effectiveness of the combined HTLT on silicone encapsulant used in LED packages. In addition, a combined HTLT for silicone encapsulant is performed using a test jig proposed to induce the light output of the LED package to the silicone encapsulant sample at 85 °C and 120 °C, the same as the high-temperature test. After the test, the transmittance of the silicone encapsulant is measured, and the Raman analysis of the silicone encapsulant is used to infer the cause of the difference in the transmittance shown in the high-temperature test and the combined HTLT. Second, the thermo-mechanical reliability of three different compositions of Pb-free solder joints, namely, Sn-1.0 Ag-0.5Cu, Sn-1.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu, and Sn-3.0Ag-0.5Cu, is investigated in a harsh environment. Basically, a temperature cycling test (TCT) and a thermal shock test (TST) are performed at temperatures ranging from -55 to 125 °C. In addition, this dissertation conducts a combined thermal shock and vibration test (TSVT) using a HALT chamber, at -65 to 150 C and an acceleration of up to (151) Grms, considering the automotive underhood environment as a combined stresses environment. Then the mean lifetimes and failures for each test of Pb-free solder joints dependent on the Ag contents are analyzed. Finally, this dissertation presents the lifetime ratios of three different Pb-free solders between TCT and TST and shows that SAC1205 has a similar mean lifetime to SAC305 within about 0.34% in combined TSVT. The results of this dissertation could provide a reference for selecting suitable Pb-free solders for industrial use in harsh environments. This dissertation designed two combined stresses environments as combined tests similar to the actual environment, conducted combined tests under suitable conditions, and analyzed the reliability of each of the two types of electronic materials. It will be expected that the results of this dissertation are used as basic data for effective accelerated test methods for materials in electronic components. |본 논문에서는 전자부품에 사용되는 소재에 대해 실제 사용 환경과 유사한 복합 스트레스 환경을 고려하여 복합 시험을 설계하고 실시하여 실제 사용 환경에서 전자부품용 소재의 신뢰성을 분석한다. 신뢰성을 분석하기 위하여 전자부품용 소재로는 두가지를 고려하며 다음과 같은 복합 스트레스 환경의 복합 시험을 시행한다. 첫째, LED (Light Emitting Diode) 패키지에 사용되는 실리콘 충진재에 대해서 고온-광 복합 시험을 시행하며 둘째, 전자부품을 회로 기판에 접합하는 3가지 조성의 무연솔더에 대해서 열충격-진동 복합 시험을 각각 설계하고 실시한다. 먼저, LED 패키지에 사용되는 실리콘 충진재에 대해 고온-광 복합 시험의 유효성을 입증하기 위해 실리콘 충진재 샘플에 대한 고온 시험을 85 °C와 120 °C에서 수행한다. 그리고, 실리콘 충진재에 대한 고온-광 복합 시험을 고온 시험과 동일한 85 °C와 120 °C에서, LED 패키지의 광출력이 실리콘 충진재 샘플로 유도되도록 제안한 시험 지그를 이용하여 수행한다. 시험 후, 각각 실리콘 충진재의 투과율을 측정하고, 실리콘 충진재에 대한 라만 (Raman) 분석을 통해 고온 시험과 고온-광 복합 시험에서 나타난 투과율의 차이가 발생한 원인을 추론한다. 두번째로 전자부품과 회로 기판의 접합 소재로 현재 많이 사용되고 있는 3가지 조성의 Sn-Ag-Cu 계열 무연솔더, Sn-1.0Ag-0.5Cu(SAC105), Sn-1.2Ag-0.5Cu(SAC1205), Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)에 대해 온도변화 시험, 열충격 시험, 그리고 열충격-진동 복합 시험을 수행하고 열기계적인 신뢰성을 분석한다. 무연솔더의 신뢰성 평가에 일반적으로 사용되는 단일 스트레스 환경의 온도변화 시험과 열충격 시험을 각각 (–55 ~ 125) °C 조건으로 시험한다. 또한 가혹한 복합 스트레스 환경인 자동차 환경을 고려하여 (–65 ~ 150) °C 조건의 열충격 시험과 (15±1) Grms 조건의 진동 시험을 동시에 진행하는 열충격-진동 복합 시험을 HALT (Highly Accelerated Life Test) chamber를 이용하여 수행한다. 이후, 각 시험마다 Ag 함량에 따른 무연솔더의 평균수명과 고장 현상을 분석한다. 마지막으로, 3가지 조성의 무연솔더에 대해 온도변화 시험과 열충격 시험의 수명비(Lifetime ratio)를 제시하고, 열충격-진동 복합 시험에서 SAC1205의 평균수명이 SAC305의 평균수명 대비 0.34% 이내로 유사한 수준임을 나타낸다. 실제 사용 환경과 유사한 복합 스트레스 환경에서 전자부품에 사용되는 두 가지 종류의 소재에 대하여 각각 적합한 조건의 복합 시험을 설계하고 실시하여 신뢰성 결과를 분석한 본 논문의 결과는 산업계에서 전자부품용 소재에 대한 효과적인 가속시험법 (Accelerated Test Method) 기준으로 활용이 가능할 것이다.