2.1 Reflow Soldering 공정

2.1.1 개요

CCGA는 컬럼이 배면에 위치하므로 대개 Reflow Soldering을 사용한다. Reflow Soldering 공정은 Fig. 1과 같은 검증 과정을 거쳐서 개발된다. 그림에서 staking 은 대상부품에 따라 적용되지 않을 수도 있다.

Fig. 1.

Verification flow of CCGA reflow soldering

Reflow Soldering 공정 요구규격은 ECSS(European Cooperation for Space Standardization) 문서에^[5] 의거 개발하였으며, 이에 따른 검사항목은 Table 1과 같으며, 진동 및 열주기 시험 규격은 Table 4 및 Table 7과 같다.

Table 1.

Inspection criteria

Table 4.

Requirements of random vibration test

Table 7.

Requirements of thermal cycle test

2.2 Staking 공정

Staking 재료는 위성사업 헤리티지에 적용되었던 EC2216을 사용하였다. 이 재료는 우주급 Outgasing 요건인 TML(Total Mass Loss), CVCM(Collected Volatile Condensable Materials)을 만족한다.

Staking 공정에 대한 일솜씨(Workmanship) 기준은 3가지, i) 측면 접합길이는 75 % 이상, ii) 납땜부위에 닿지 않을 것, iii) 리드의 stress relief를 방해하지 않을 것이다. 일솜씨는 “단단함(firmness) 정도는 손가락 또는 비금속 probe로 접착면에 압력을 가했을 때 부품면/PCB면에서 분리되지 않을 것”으로 확인하며, 둘 다 국내 위성개발 헤리티지를 인용하였다.

Staking 공정에 대한 단독 검증은 Fig. 2와 같이, staking 후 진동(Vibration) 시험과 열주기(Thermal Cycle) 시험을 거친다. 여기서, 진동시험은 Sine Vibration과 Random Vibration으로 구분되고 열주기 시험은 500회이다. 진동 및 열주기 시험 규격은 Table 4 및 Table 7과 같다. 일반적으로 staking은 무게 5 g 이상인 부품에 적용하도록 권장하고 있다^[6].

Fig. 2.

Verification flow of staking process

2.3 연구 배경

초기에 Table 2처럼 3가지 CCGA 패키지에 대해 staking을 적용하지 않고 Reflow Soldering 공정 검증을 수행하였다.

Table 2.

Comparisonof CCGA packages

Fig. 3은 공정 검증을 위해 제작된 시편 사진으로, 왼쪽부터 CCGA255, CCGA1509 및 CCGA624 순이다. 그림 하단부는 각 CCGA에 대한 마이크로섹션 절단면을 보여주고 있다.

Fig. 3.

Fabrication photo of CCGA packages

Table 3은 진동 및 열주기 시험 후 균열 검사를 위한 마이크로섹션 결과이다. 표에서 CCGA1509에 대한 절단면은 17∼20이며, 균열이 100 % 발생하였다. 한편, CCGA255와 CCGA624는 균열이 발견되지 않았다. 여기서, 100 %는 주어진 컬럼에 대해 완전히 균열이 발생한 것임을 의미한다.

Table 3.

Microsection Results (3 CCGA)

초기 진동해석 결과, 진동 해석 마진(Margin)이 충분하지는 않았으나, 열 특성 저하가 우려되어 staking 적용을 고려하지 않았다. 그러나 실험결과 CCGA1509 만이 균열이 발생하였다. 균열 원인 분석 결과, 진동 시험 도중에 균열이 이미 발생하였고 열주기 시험을 통하여 균열이 증식한 것으로 확인되었다. 즉, 진동시험을 만족하기 위해 구조 보강이 필요했으므로 staking 적용을 고려하게 되었다.

3.1 진동 특성 해석

우주환경에서 진동 규격은 주로 발사체에 의해 결정되며, 그것은 일반 군사용 진동규격보다 더 엄한 편이다. 또한, 공정개발 적용되는 환경시험 규격은 구성 품(Unit) 규격보다 엄한 편이다. 즉, 공정개발에 적용되는 규격이 가장 높으며, 구성품, 장치, 부 시스템 및 시스템 순으로 낮아진다.

진동시험은 Sine Vibration과 Random Vibration이 있으며, 그 중에서 더 가혹한 Random Vibration에 대해서만 언급한다. Table 4는 Random Vibration 시험 규격이다.

Fig. 4는 CCGA1509에 대한 Random Vibration에 대한 피로 수명 해석 모델로서, CCGA1509 모서리 4곳에 corner staking을 적용하였다. CCGA 패키지에서 진동 영향은 상호 연관성이 높은 것으로 알려져 있다^[8,9].

Fig. 4.

Corner staking modeling

Table 5는 사용된 staking 재료의 물성이다.

Table 5.

Staking material characteristics

Fig. 5는 3가지 CCGA에 대해 고유 진동수 해석 및 스트레스(Stress) 분석결과이다. Fig. 5는 staking 미적용 시 3종의 CCGA에 대한 고유진동수 해석 결과로서, CCGA1509의 고유 진동수(897 Hz)가 다른 두 부품들에 비해 1.5배∼2배 낮음을 확인 할 수 있었다. Staking 을 적용한 경우, CCGA1509의 고유진동수 해석결과는 960.02 Hz로서 약 60 Hz 증가하였다.

Fig. 5.

Natural frequency analysis

Table 6은 staking 미적용 시 CCGA 3종에 대한 스트레스 해석결과로서, 동일 하중 조건(28.5 grms)에서 CCGA1509에 작용하는 스트레스가 타 부품들에 비해 약 2배 이상 높게 나타났다. 즉, CCGA1509가 구조적으로 가장 취약함을 알 수 있다. CCGA1509에 대해 staking을 적용한 경우 최대 스트레스는 34.4 MPa 이었으며, staking 미적용 시 보다 13.8 MPa 낮게 해석되었다.

Table 6.

Stress analysis results

3.2 열 특성 해석

위성은 진공상태에서 운용되므로 열적 특성이 지상 장비보다 더 열악하다. 시험 온도 범위도 넓을 뿐 아니라 그 cycle 수도 많은 편이다. 우주용 구성품에 대한 열주기 시험 cycle은 대략 20회 정도로서, 본 공정개발에 적용된 500 cycle에 훨씬 못 미친다.

Table 7은 열주기 시험에 대한 규격이며, 실제 −60 ℃ ∼ +105 ℃ 범위에서 500 cycle 시험한다.

온도 변화에 따른 PCB와 부품 간의 CTE mismatch 로 Solder Joint에 스트레스가 반복적으로 인가된다^[3]. 또한, CCGA 패키지에 대한 thermal cycling에 의한 CCGA 패키지의 고장(failure)은 밀접한 연관이 있다^[7,9]. Fig. 6은 PCB와 CCGA1509사이의 CTE 해석 모델로서, Table 3과 같은 열주기 시험 규격을 적용하여 staking 적용 유·무에 따른 피로 수명 분석을 수행하였다.

Fig. 6.

CTE analysis model @solder joint

Fig. 7은 staking 적용 유·무에 따른 thermal cycling에 의한 피로 수명 예측 결과로서, Modified Engelmaier's Fatigue Model을 사용하였다.

Fig. 7.

Failure analysis

여기서, ∆γ: Determine the strain range, C: correction factor that is a function of dwell time and temperature, L_D: diagonal distance, α: CTE, ∆T: temperature cycle, h_s: sodler joint height 이다.

모델 식에서 ΔT는 165[℃]이며, 1 cycle은 1.8[hour]로 가정하여 수행한 해석결과이다. 고장 확률 1 %일 때, CCGA1509의 피로 cycle 수는 staking 미적용 시 1127 cycle, staking 적용 시 904 cycle 임을 알 수 있다. 즉, staking 적용이 열 특성 측면에서는 불리한 것으로 나타났다.

3.3 해석 결과 종합

진동 및 열 특성 측면에서 staking 적용 유·무에 따른 영향을 종합해 볼 때, staking 적용이 진동측면에서 유리하나, 열 특성 측면에서 불리한 것으로 나타났다. Staking 적용으로 인해 열주기 환경에서의 CCGA1509 피로 수명은 저하되었으나, 열주기 시험 규격이 500 cycle인 점을 감안할 때, 904 cycle에서 1 % 고장 확률은 수용 가능하므로 staking을 적용하는 것으로 최종 판단하였다.

4.1 시편 제작

공정 개발 규격 상, 부품은 각 2개 이상 사용해야하므로 Fig. 8과 같이 PCB 2장(Test II-5, Test II-6)을 제작 하였으며, 각 PCB마다 하나의 CCGA1509는 staking 미적용하고, 다른 하나는 모서리 4곳에 corner staking 을 적용하였다.

Fig. 8.

Fabrication photo of CCGA1509

4.2 Coner staking 사진

Fig. 9는 실제 모서리 4곳에 corner staking을 적용한 사진이다. 모델링 결과를 반영하여 공정하였으며, staking 일솜씨 기준을 충족하였다.

Fig. 9.

Photo of CCGA1509 corner staking

5.1 마이크로섹션 결과

Table 8은 2가지 PCB에서 Staking을 적용하지 않은 CCGA1509에 대한 마이크로섹션 결과이다. 검사대상 컬럼에서 균열이 25 %를 초과하면 규격 불만족이다.

Table 8.

Microsection resultsof CCGA1509

Test II-5 시편 전체 컬럼에서 균열이 발생한 것은 12개(100 %(6개), 34.2 %(1개), 25 % 미만(5개))이다. Test II-6 시편 전체 컬럼에서 10개(100 %(2개), 36.5 % (1개), 82.95 %(1개), 25 % 미만(6개)) 균열이 발생하였다. 반면, staking을 적용한 CCGA1509 2개는 균열이 발견되지 않았다.

Fig. 10은 2장의 PCB에서 staking을 적용하지 않은 CCGA1509에 대한 사진으로 균열이 선명하게 보인다. Table 8에서 Test II-5의 1번과 Test II-6의 7번 컬럼을 확대한 사진이다.

Fig. 10.

Microsection photo of CCGA1509(No staking)

5.2 실험 결과

Corner staking을 적용한 CCGA1509 2개는 균열이 발견되지 않았으며, staking을 적용하지 않은 CCGA1509 2개는 위 Table 8과 같이 균열이 발생한 것이다. 이는 진동 및 열 특성 해석에 잘 부합하는 결과임을 알 수 있다. 100 % 균열은 대부분 모서리에서 발생한 것으로 볼 때, corner staking이 유효한 것으로 판단하였다.

6.1 열주기 시험 후 검사 결과 추적

Fig. 11은 열주기 500회 시험 후 미리 검사했던 Test II-5_1번 컬럼이다. 100배율 현미경 사진이며 100 % 균열이 이미 발생하였음을 알 수 있었다.

Fig. 11.

Photo of crack after thermal cycle test

6.2 진동시험 후 검사 결과 추적

진동시험 순서는 Z➡ X➡ Y축 순으로 진행하였다. Fig. 12는 위와 동일한 컬럼(Test II-5_1번)에 대해 Z축(수직축) 진동시험 후 균열 검사 결과로서, 미세한 균열이 관찰되고 있다. 그 후 수평축인 X, Y축 진동시험 후에도 균열이 계속 유지되었으며, 크게 증식되지 않은 것으로 확인 되었다. 균열 발생 부위도 Solder Joint가 아니고 컬럼 부위임을 알 수 있다.

Fig. 12.

Photo of crack after z-axis vibration test

6.3 요약

Staking을 적용하지 않은 CCGA1509에 대한 균열발생 메커니즘(Mechanism)을 살펴보면, 먼저 시험한 Z축 진동시험 도중 미세한 균열이 발생하기 시작했으며, X 및 Y축 진동시험 동안 균열이 유지되면서 크게 증식되지 않은 것으로 확인된다.

그 후 열주기 500회를 거치면서 100 % 균열이 발생한 것으로 고찰되었다.