우주급 PBA 적용을 위한 유무연 혼합 BGA 솔더링 공정 신뢰성 연구
Study on Reliability of Lead-free mixed BGA Soldering Process for Application of Space-grade PBA
Article information
Trans Abstract
The purpose of this study is to confirm the effect of staking and underfilling for mounting PBGA(Plastic Ball Grid Array) packaged components on satellites. With the goal of developing a process that complies with ECSS (European Cooperation for Space Standardization) standards, the effect of staking and underfilling was analyzed in terms of vibration and thermal properties, and actual test specimens were fabricated and verified. After the environmental test, microsections were performed to confirm whether cracks had actually occurred, and the rate of change in resistance value was confirmed and compared with the analysis results.
1. 서 론
고 품질·고 신뢰도의 개발을 요구하는 중·대형 위성에 비해 짧은 개발기간과 수명주기, 저비용, 대량 생산을 필요로 하는 저궤도 군집 위성의 수요가 증가함에 따라 고가의 우주용 전자부품(EEE-Parts) 대신 저가이며 공급이 용이한 COTS(Commercial Off-The-Shelf) 부품의 적용이 필수불가결해지고 있으며, 최근 국내외에서는 위성이 요구하는 임무수명에 따라 COTS 부품의 품질확보를 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다[1-3].
특히 우주용 전장품의 소형화 및 경량화 추세가 계속 됨에 따라 표면실장용 고 집적 패키지인 BGA(Ball Grid Array)의 사용이 증대되고 있으며, 칩과 인쇄회로 기판을 접합시키는 솔더볼(Solder ball)의 파괴는 임무 실패로 이어지기 때문에 사용 환경에 대한 피로수명을 예측하고 이를 연장시키기 위한 연구가 필요하다.
이러한 영역 배열 부품(AAD: Area Array Device)을 고 신뢰성이 요구되는 우주용 전장품에 적용하기 위해 솔더 접합부를 볼(ball) 대신 기둥(column)을 적용하여 이종재료 간의 열팽창률 차이에 의한 열응력을 완화함으로써 피로 수명을 향상시킨 CCGA(Ceramic Column Grid Array)가 있으나[4] 가격이 COTS 부품 대비 높아 양산형 위성에는 적합하지 않다.
따라서 BGA 부품의 기계적·열적 특성을 높이기 위한 보편적인 보강 방안으로는 Fig. 2와 같이 코너 스테이킹과 언더필 공정이 있으며, 사용목적에 따라 부품에 적합한 도포액 재료선정 및 최적의 구조형상 등에 대한 검토가 요구 된다.
Photo of BGA(top) & CCGA(bottom)
Photo of corner staking(left) & underfill(right)
유해물질 사용제한에 따른 국제환경규제(RoHS)에 의해 대다수의 COTS BGA는 무연납(Pb-free) 솔더볼을 사용한다.
하지만 융점이 183 ℃인 유연납(SnPb)에 비해 무연납의 융점은 대표적인 SAC305 볼 조성(composition)기 준 217 ℃로 솔더링 시 더 높은 온도가 요구된다.
리플로우 솔더링 과정에서 다른 부품이나 기판의 변형에 영향을 미치거나 솔더볼이 충분하게 녹지 않는 상황이 발생할 수 있고, 무연납은 솔더 접합부의 접합강도가 낮은 단점이 있어 이를 보완하기 위해 방산제품은 PCB(Printed Circuit Board)에 유연 솔더페이스트를 도포하여 유무연 혼합 솔더링을 주로 적용하고 있다[5].
따라서 본 논문에서는 COTS 무연 BGA 부품을 대상으로 위성적용에 적합한 조립공정을 연구하였으며, 진동 및 열주기 환경 하에서 스테이킹 및 언더필에 따른 특성비교를 수행하였다. 본 논문은 유무연 혼합 솔더링 후 스테이킹, 언더필을 적용하여 리플로우 솔더링 공정에서 요구되는 진동 및 열 특성에 관한 연구로 2장 연구방법, 3장 피로수명 예측, 4장 결과, 5장 고찰, 6장 결론 순으로 구성하였다.
2. 연 구 방 법
2.1 부품 선정
본 연구에서는 BGA를 우주급 PBA(Printed Board Assembly)에 적용 가능한지 검토하기 위해, 저궤도 초소형 위성급에 사용이 예상되는 무연 BGA 부품 중 핀수가 많은 PBGA(Plastic Ball Grid Array) 1517핀 을 대상 부품으로 선정하여 연구를 수행하였다.
CBGA(Ceramic Ball Grid Array)의 경우 상대적으로 솔더링 신뢰성이 낮아 PBGA에 비해 사용 빈도가 낮다[6].
테스트에 적용되는 BGA의 상세 세부 수치는 Fig. 3, Table 1과 같다.
Test BGA detailed diagram
Specification of BGA packages
2.2 리플로우 솔더링 공정
BGA는 볼이 부품바닥에 있어 매뉴얼 솔더링이 불가하여 리플로우 솔더링을 적용하고, 온도 프로파일은 IPC(Institute of Printed Circuits)문서[7]에 의거하여 Table 2와 같이 설정 하였다.
Reflow profile
솔더링 신뢰성을 높이기 위한 공정인 스테이킹 및 언더필을 적용하고 결과 비교분석을 통해 검증을 수행한다.
2.3 스테이킹 / 언더필 재료
스테이킹 및 언더필의 재료는 Table 3과 같이 우주급 outgassing 요구사항인 TML(Total Mass Loss), CVCM (Collected Volatile Condensable Material)을 만족하는 재료를 선정하였으며, EC-2216(3M)과 FP4531(Henkel)을 적용하여 검증을 수행한다.
Material characteristics(Staking & Underfill)
일반적으로 ECSS(European Cooperation for Space Standardization)문서[8]에 의거 스테이킹은 무게 5 g 이상인 부품에 적용하도록 권장하고 있고 BGA의 경우 부품 모서리 4개소에 적용한다.
언더필 공정은 BGA와 PCB사이 공간을 모두 채우는 방법으로 민·방산 BGA 공정에 가장 많이 적용되고 있는 공정이다[9].
2.4 검증 방법
스테이킹 및 언더필 적용에 따른 PBGA 1517 부품의 피로수명 비교를 위해 Table 4과 같이 3개의 시편으로 구성하였고, 상세사진은 Fig. 4와 같다.
Test PBA list
Photo of PCB(Test 1, Test 2, Test 3)
PCB는 폴리이미드(85N, Alron) 재질을 사용하였으며 크기 및 두께는 각각 255 × 169(mm), 2T 이다.
본 시편에 대한 솔더링 공정검증을 위해 Fig. 5와 같이 ECSS 표준문서[10]에 따라 절차를 수립하였으며, Fig. 6과 같이 데이지체인을 PCB에 구성하여 저항 변화율을 측정할 수 있도록 설계하여 측정치구와 연결할 수 있도록 하였다.
Verification flow of BGA reflow soldering
Daisy chain connection(PBGA1517)
또한 검사에 대한 합불 판정기준은 Table 5와 같고 Table 6과 Table 7은 진동시험과 열주기시험에 대한 규격을 나타낸다.
Inspection criteria
Requirements of random vibration test
Requirements of thermal cycle test
Fig. 7은 실제 모서리 4곳에 코너 스테이킹을 적용하고, 부품과 PCB 사이에 언더필을 적용한 사진이다. 3장 피로수명 예측 모델링 결과를 반영하여 공정을 수행하였고 일솜씨 기준을 충족하였다.
Photo of corner staking(left) & underfill(right)
3. 피 로 수 명 예 측
앞서 연구배경에서 언급했듯이 BGA는 CCGA에 비해 진동 및 열주기 신뢰성이 낮아 이에 대한 대책으로 스테이킹 / 언더필 적용에 따른 주요특성 분석이 필요하였다.
열 특성 측면에서 볼 때 스테이킹은 언더필보다 유리하지 않은 것으로 알려져 있다. 이에 따라 스테이킹 및 언더필 적용여부에 따른 진동 및 열 특성 해석을 각각 수행하여 비교하였다.
분석은 PBA(Printed Board Assembly) 솔더링 신뢰성 RPA(Reliability Physics Analysis) Tool을 이용하여 수행하였다. Fig. 8은 PBGA1517의 분석을 위한 PBA layout 이다.
Analysis PBA layout
3.1 진동 특성 해석
탑재체(Payload)에 요구되는 진동규격은 주로 발사체에 의해 결정되며, 일반 방산제품 진동규격보다 훨씬 더 높은 편이다. 또한 구성품인 솔더링 공정개발에 적용되는 ECSS 규격은 가장 높다.
진동시험은 sine 진동과 random 진동이 있으며, 그 중에서 더 가혹한 random 진동에 대해서만 언급한다. Table 6은 random 진동시험 규격이다.
Fig. 9는 PBGA1517에 대한 random 진동에 대한 피로수명해석 모델로서, PBGA1517 모서리 4곳에 코너 스테이킹을 적용하고, Fig. 10은 부품 바닥 전체에 언더필을 적용하였다.
Corner staking modeling
Underfill modeling
Table 8은 언더필, 리플로우, 코너 스테이킹 3가지 BGA에 대한 해석결과로서 언더필을 적용한 BGA에서 리드 최대 변형률(Max lead strain)이 28.06 um로 가장 낮게 해석되어 구조적으로 가장 강건함을 알 수 있다.
Reliability analysis results(Vibration)
리플로우 공정만 수행한 BGA의 경우 422.51 um로 가장 취약하고 해석상으로 스테이킹 & 언더필 공정 적용이 효과가 있음을 확인 하였다.
3.2 열 특성 해석
실제 위성 탑재체 열주기시험 주기는 약 20회 정도로 우주 환경에서 요구되는 장기 솔더링 신뢰성 확인을 위해서는 부족하다. 따라서 본 공정개발에서는 ECSS 규격에서 요구하는 500주기 기준으로 열주기 시험을 수행한다.
Table 7은 열주기시험에 대한 규격이며, 실제 −60 ℃ ∼ +105 ℃ 범위에서 500주기 시험을 수행한다.
진동시험과 마찬가지로 신뢰성 RPA Tool을 이용하여 500주기 수행 간 리플로우, 코너 스테이킹, 언더필에 대한 해석모델을 각각 분석 수행하였다.
Table 9는 언더필, 리플로우, 코너 스테이킹 3가지 BGA에 대한 해석결과로서 언더필을 적용한 BGA에서 리드 최대 변형률(Max lead strain)이 1,754.47 um로 가장 낮게 해석되어 구조적으로 가장 강건함을 알 수 있다.
Reliability analysis results(Thermal cycle)
리플로우 공정만 수행한 BGA의 경우 7,046.79 um 로 가장 취약하고 해석상으로 스테이킹 & 언더필 공정 적용이 효과가 있음을 확인 하였다.
3.3 해석 결과 종합
진동 및 열 특성 측면에서 스테이킹 & 언더필 적용 유·무에 따른 영향을 종합해 보면 언더필을 적용한 경우 진동·열 특성에 가장 효과가 큰 것으로 나타났다. 스테이킹은 열특성 측면에서는 언더필 대비 효과 가 상대적으로 적음을 알 수 있다.
그리고 CCGA에서의 스테이킹 적용에 따른 해석 사례를 보면 스테이킹 적용이 열 특성 측면에서는 불리하다는 것을 알 수 있다[11].
하지만 BGA의 경우 해석상 스테이킹 & 언더필 적용 시 효과가 있는 것으로 판단되므로 두 경우 다 적용하여 실험을 수행하는 것으로 최종 판단하였다.
4. 결 과
4.1 진동시험 결과
진동시험은 Fig. 11과 같이 Z,X,Y축 별로 수행하였다. Table 10에 작성 된 진동시험 전/후 저항 변화율을 보면 10 % 미만으로 솔더링 접합에는 문제가 없음을 알 수 있다. 3가지 시편 모두 진동시험에서는 저항 변화율 규격을 만족하였다.
Photo of vibration(Z,X,Y Axis)
Resistance measurement results
4.2 열주기 시험 결과
Fig. 12와 같이 열주기시험을 수행하였다. Table 10에 작성 된 열주기시험 전/후 저항 변화율을 보면 스테이킹 적용 시편에서 336주기에 저항이 초기 값 대비 10 % 이상 초과(17.17Ω)하여 규격을 불만족 하였다. 하지만 나머지 리플로우, 언더필 시편은 최종 변화율이 2 % 미만으로 규격을 만족하였다.
Photo of thermal cycle
4.3 마이크로섹션 결과
Table 11은 진동, 열주기 시험 후 3가지 시편에 대한 마이크로섹션 결과이다. 검사대상 볼에 균열이 25 %를 초과하면 규격 불만족이며 Fig. 13과 같이 각 부품 당 최 외곽 위/아래 2열을 섹션 수행하였다.
BGA cross-section results
BGA cross-section point
섹션 결과 Test 2(Reflowl), Test 3(Staking)시편에서 균열이 발생하였으나, Fig. 14와 같이 Test 1(Underfill)에서는 균열이 발생하지 않았다.
Photo of SEM analysis(Test 1-Underfill)
Fig. 15, 16은 마이크로섹션 후 SEM(Scanning Electron Microscope)분석을 적용하여 가장 사이즈가 큰 균열이 발생한 ball을 확대한 사진이다. 상세한 발생 위치는 붉은색 화살표 위치이다.
Photo of SEM analysis(Test 2-Reflow)
Photo of SEM analysis(Test 3-Staking)
4.4 실험 결과
언더필을 적용한 BGA에서는 균열이 발견 되지 않았으며 리플로우 공정만 적용한 시편 또한 25 % 미만으로 규격을 만족하였다.
하지만 스테이킹을 적용한 BGA에서는 규격을 불만족하는 100 % 균열이 발견 되었다.
언더필의 경우 진동 및 열 특성 해석결과에 부합한 결과로 보이나 스테이킹의 경우 실제 실험결과 저항 값 변화율을 보면 열 특성에서 더 불리한 것으로 확인 된다.
또한 리플로우 공정만 적용한 시편보다 스테이킹을 적용한 시편이 균열이 더 크게 발생한 것으로 보아 스테이킹 공정이 열주기시험에서 가장 취약한 것으로 판단된다.
5. 고 찰
Test 3(스테이킹)시편은 진동시험 후 저항변화율은 정상이었지만 열주기시험 진행 간 저항값이 규격을 초과한 점을 보아 열주기시험 간 균열이 발생 된 것으로 해석 된다.
스테이킹 공정이 부품의 어느 위치에 가장 큰 영향 주었는지 확인하기 위해 상세한 균열 발생위치를 분석하였다.
Fig. 17을 보면 균열이 발생한 위치는 스테이킹 재료가 접합 된 부품 모서리임을 확인할 수 있고 열주기시험 간 최 외곽 위치에 stress가 가장 많이 인가되었음을 알 수 있다.
Photo of crack area(Test 3)
상세 원인분석을 위해 열주기시험 간 가장 영향이 큰 인자인 열팽창률에 대해 Table 12와 같이 정리한 결과 스테이킹의 열팽창률은 134 ppm/℃으로 X/Y 축 기준으로 열팽창률 값이 부품 기판(plastic substrate)의 14 ppm/℃과 120 ppm/℃ 차이가 나는 것을 확인하였다.
Material characteristics(CTE: −60∼105 ℃)
Fig. 17과 같이 균열 위치는 전체 BGA Substrate쪽에서 발생하였으며 실험결과와 실제 열팽창률 차이에 의한 균열 발생위치가 연관이 있음을 확인하였다.
따라서 스테이킹을 적용한 위치에서 열주기 시험 간 균열에 가장 취약하다는 것으로 고찰된다.
6. 결 론
스테이킹 & 언더필 적용에 따른 PBGA1517 패키지의 진동 및 열 특성 해석을 통하여 영향성을 분석하였고, 실제 시편 제작을 통해 해석 결과에 대한 타당성을 확인 하였다. 그 결과 리플로우 공정만 수행한 경우에도 규격은 만족하였으나 언더필을 적용하는 것이 신뢰성 측면에서 가장 우수하다는 것이 확인되었으며 균열 발생 없이 공정 검증 규격을 충족하였다.
또한 열주기 시험 간 저항 변화율 기준을 초과 하고 마이크로섹션 후 균열이 검출되어 코너 스테이킹의 적용이 열주기 신뢰성에서는 더 불리하다는 것을 확인하였다.
따라서 언더필 공정이 적용 된 PBGA1517은 우주급 PBA에 사용 가능함을 확인하였으며, 향후 저궤도 군집 위성 사업에 활용 가능할 것으로 기대된다.