열 주기와 랜덤 진동 하에서의 BGA 솔더 조인트 피로 수명 최대화를 위한 BLR 테스트 보드의 경계조건 최적화

Abstract

본 논문은 열 주기와 랜덤 진동 하에서 BLR (board level reliability) 테스트 보드의 경계조건인 나사 체결부 위치가 BGA (ball grid array) 솔더 조인트의 피로 수명에 미치는 영향을 조사하였다. 솔더 조인트의 피로 수명 계산은 Morrow의 energy-based fatigue model과 Steinberg three-band equation의 피로 수명 모델을 사용하였다. 해당 모델에 따르면, plastic strain energy density와 1-sigma stress가 감소될 경우, 피로 수명은 증가한다. 이러한 결과를 바탕으로 plastic strain energy density와 1-sigma stress를 피로 수명의 주요 변수로 설정하고, 나사 체결부 위치 최적화를 통한 주요 변수를 최소화함으로써 솔더 조인트의 피로 수명을 최대화하였다. 이를 위해 BLR 테스트 보드의 유한 요소 모델을 구축 했으며, thermal cycling, modal, random vibration 해석을 수행하고 plastic strain energy density와 1-sigma stress를 계산하였다. 나사 체결부 위치에 따른 주요 변수의 상관관계를 분석하기 위해 민감도 분석 수행하였으며, 피로 수명의 주요 변수를 최소화하기 위한 다목적 최적화를 수행하였다. 최적화를 통해 열 주기와 랜덤 진동 하에서 솔더 조인트의 피로 수명을 최대화하는 최적 나사 체결 부 위치를 도출하였다. 또한 초기 모델과 최적화 모델의 열 및 진동 하중에 대한 BLR 테스트 보드의 변형과 솔더 조인트의 피로 수명 예측 결과 비교를 통해 최적화 모델의 성능을 확인하였다.|This paper investigated the effect of screw hole positions, which is a boundary condition of a BLR (board level reliability) test board, on fatigue life of BGA (ball grid array) solder joints under thermal cycling and random vibration. The fatigue life of solder joints was calculated using the Morrow energy-based fatigue model and Steinberg threeband equation. According to the models, the fatigue life increased by reducing the plastic strain energy density and 1-sigma stress. Based on these results, the plastic strain energy density and 1-sigma stress were set as the main parameters of fatigue life, and the fatigue life of solder joints was maximized by minimizing the main parameters through optimization of screw hole positions. To achieve this, a finite element model of a BLR test board was constructed, thermal cycling, modal and random vibration simulation were performed, and the main parameters of fatigue life were calculated. Sensitivity analysis was performed to analyze the correlation between the screw hole position and main parameters of fatigue life, and multi-objective optimization was performed to minimize main parameters of fatigue life. Through optimization, the optimal screw hole position was determined to maximize the fatigue life of solder joints under thermal cycling and random vibration. Furthermore, the performance of the optimal model was confirmed by comparing the deformation of a BLR test board and the predicted fatigue life of solder joints between the initial model and optimal model.