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기술보고 국방분야전자기기의무연솔더적용을위한신뢰성검증방안 Relaibility Validation Methodology for Implementation Pb-free Solder to Military Electronics Jaesseong Jeong, Chulmin Oh, Gi-Young Goo, Young-Ho Yoon, Un Hee Hwang and

1 기술보고 국방분야전자기기의무연솔더적용을위한신뢰성검증방안 Relaibility Validation Methodology for Implementation Pb-free Solder to Military Electronics Jaesseong Jeong, Chulmin Oh, Gi-Young Goo, Young-Ho Yoon, Un Hee Hwang and Won Sik Hong Do Away with the Pb soldered electronics Oxidized from Pb to PbO in the Air Acid rain Solubilized Pb flow Into subsurface water Effect to the human body -Decrease intelligence -Decrease generative function -Be anaesthetized the nervous system 1. 서론 솔더링 은전자부품의실장에필수적인 기술로써 정도가전기전자기기용으로사용되고 있다 솔더링은 미만의융점 을 가지는솔더를이용하여접합하고자하는피접합재를 접합시키는기술로 모재는녹지않고솔더만용접한 후응고시켜접합하는기술이다 솔더 는피접 합재를접합시킬때사용하는재료로주석 납 이하유연솔더 의합금재료가사용되어왔다 주석 납 의비율을조절하거나 등의미량첨가원소를첨가함으로써솔더의접합특성 및물리적특성을다양화하여사용되고있다 유연솔더는안정적인솔더링공정과접합신뢰성이 뛰어나오랜기간안정적인접합수단으로사용되어왔 다 그러나 과같이 의유해성문제로인해 유럽연합 를중심으로선진국에서납의사용이금 지되었다 는 년 월부터자국내에사용되는 모든전기전자제품에 수은 카드뮴 가크롬 과같은중금속 개원소와 종의브롬 계난연제인 와 Pb + 1/2 O2 PbO PbO+H 2 SO 4 (Acid rain) PbSO 4 +H 2 O PbO+HNO 3 (Acid rain) Pb(NO 3 ) 2 +H 2 O 물질에대해 사용을금지하는 특정유해물질사용제한지침 을발 효하였다 은선진국을중심으로현재규제 되고있는다양한규제현황을나타내었다 이러한 관련환경규제에따라유연솔더합금을 적용하는솔더링의경우직접적인영향을받게되었으 며 유연솔더합금을대체할무연솔더합금이요구되었 다 가포함되어있지않은솔더재료를무연 솔더라고한다 순수주석 만을가지고솔더를제조할경우솔더링 공정및신뢰성에많은문제가있다 따라서기존유연 솔더합금와같은공정안정성과신뢰성을확보하기 위해무연솔더합금에대한연구가활발히진행되어 왔다 현재까지개발된중온계무연솔더합금중 원계무연솔더합금이가장많이전자제품에 적용되고있다 현재모든전기전자부품 시스템업 체는 대응에기반한무연솔더적용전기전자부 품만생산하고있다 따라서 예외조상에있는

2 품목을제외하고 가함유된전자부품은현재거의없는실정이다 현재예외조항에있는품목에대해서는선진국중심으로기술개발이활발히이루어지고있으며 가까운기간내에 의 단계규제가시행될것으로예상된다 국방분야의경우유연솔더합금적용에대해예외조항으로인정되고있다 이러한이유는국방분야의전자기기는사용환경과목적상특수성으로인해성능과신뢰성이슈가친환경이슈보다더중요한부분으로인식되기때문이다 하지만국방무기들의첨단전자시스템화및저비용화를위해민수부품적용이활발히이루어지고있으며 국방전자기기에사용되던 함유부품의경우부품단종으로인해민수용무연전자부품이일부적용되고있다 따라서민수부품에적용된무연솔더합금에대한국방분야의적용은선택이아닌필수가되었다 무연솔더합금을국방분야에적용하기위해규격대체방안연구로써신뢰성확보방안에대한연구가필수적으로요구되고있다 무연솔더접합부의신뢰성은제품의안정성및기능발휘를위해기본적으로확보되어야하는요소기술이다 특히국방제품의사용환경은매우가혹하면서도장시간사용하는특성을가진다 그러므로무연화국방전자기기에대한신뢰성검증기준으로써시험항목 시험조건및시험대상제품에대한내용이결정되어야한다 또한무연솔더관련국내 외국방및민수분야의표준화동향및기술수준등의동향을조사하여 국방정책및제도에반영되어야한다 솔더접합부의신뢰성평가방법에는솔더접합부에대한열적 기계적 전기적스트레스를특정환경에서인가함으로써실사용환경에서유발되는여러스트 레스요인에대한솔더접합부의신뢰성을검증하게된다 따라서국내외무연솔더적용사례및신뢰성평가를위한시험항목및시험기준자료에대한사례를조사하고 이를분석하는것이요구된다 본논문에서는국방분야유도무기용전기전자부품 시스템에무연솔더적용을위해잠재불량을분석하고국방및민수환경을비교하여국방환경에무연솔더합금적용및상용화에가장중요한신뢰성방안에대해제안하였다 2. 무연솔더개발현황 제거로무연솔더는다양한문제점을가지게되며이는순수 만적용하여솔더링할경우기존의유연솔더합금에비해젖음성및퍼짐성취약 산화 휘스커성장등의원류적인문제점들을가지게된다 이러한문제점은신뢰성취약으로이어진다 이와같은단점을보완하기위해 와같이무연솔더재료및조성에대한연구가활발히이루어지고있다 그중 솔더합금은기계적강도와열피로 크리프특성이양호하고타무연솔더합금에비해장기적인실사용검증으로민수전기전자제품에적용되어상용화되고있다 국외전문표준단체들에서도 과같이 를중심으로약간의조성차이를두며다양한 원계및 원계무연솔더합금이개발되어왔다 합금별장단점은민수환경기준에평가 적용되었을경우를말한다 다시말해군방환경에적용될경우현재의장단점이어떻게변할지는정량적인평가를통하지않고서는말할수없다

이것은리플로우예열단계시산화가진행되어있거나솔더페이스트의활성이부족할경우발생될수있는메카니즘이다 또한리플로우온도가높아져패키지또는 의휨에의해서도발생될수있다 이러한고장모드는부품에하중을인가하면동작을하는 전기적특성을보이기도한다 은 계 무연솔더볼이산화되어노란색을띄고있음을볼수 있다 나 솔더접합부균열 일반적으로크랙은열팽창계수 차이

3 국방분야전자기기의무연솔더적용을위한신뢰성검증방안 3. 무연솔더합금접합부고장메카니즘 무연솔더합금적용시고융점 과같은금속간화합물 의형성 잔류응력 표면장력 기계적강도등이유연솔더합금과다른물리적특성으로다양한공정및실사용고장모드 를유발한다 가 젖음성불량 무연솔더적용 의경우솔더볼과솔더페이스트가제대로용융되지못해 와같이두개의볼이솔더링된형태의고장모드가발생된다 이것은리플로우예열단계시산화가진행되어있거나솔더페이스트의활성이부족할경우발생될수있는메카니즘이다 또한리플로우온도가높아져패키지또는 의휨에의해서도발생될수있다 이러한고장모드는부품에하중을인가하면동작을하는 전기적특성을보이기도한다 은 계 무연솔더볼이산화되어노란색을띄고있음을볼수 있다 나 솔더접합부균열 일반적으로크랙은열팽창계수 차이 에의해발생되는 열적피로스트레스에의한균열과기계적인크립 과진동스트레스에기인한다양한에너지를통 해균열이발생될수있다 무연솔더합금의경우 높은변형율 과충격 조건 에서유연솔더합금에비해기계적특성이취약하다 의응력 변형률 특성곡선에서 볼수있듯이저온에서는무연솔더합금과유연솔더합 금의기계적특성차이는미미하다 그러나온도가증가 할수록유연솔더합금의경우연성이증가하는것에반 해무연솔더합금은높은탄성계수 와항복강도 를나타내었다 이것으로 볼때무연솔더합금은강도는높으나연신율과충격 저항성이기존의유연솔더합금보다낮은것을알수 Stress(MPa) Strain

도 계무연솔더의적용에따라발생되는편석발생에의한불량원인중하나이다 이러한다양한원인에의해무연솔더를적용할경우

전기화학적이온마이그레이션 전극배선에서가지처럼뻗어나가금속배선과배선 사이를전기적으로연결시켜오동작을일으키는현상으

이온화된금속이온은양극과음 극의전위차로인해음극에서환원되어석출하게된다 이러한현상은전기화학적분해반응과석출반응에의해

과같이수지상정 을성장하여전기적단락을유발하는현상이다 일반적 인발생조건은두배선간에전기가흐르고수분이존

발생되는전기화학적반응메카니즘은다음의 가지단 계로구별하여설명할수있다 있다 이러한기계적특성은 점굽힘피로시험

4 도 계무연솔더의적용에따라발생되는편석발생에의한불량원인중하나이다 이러한다양한원인에의해무연솔더를적용할경우 접합계면은기존보다짧은수명을갖게된다 따라서접합수명에대한검증과대응방안마련은필수적으로요구되고있다 다 전기화학적이온마이그레이션 전극배선에서가지처럼뻗어나가금속배선과배선 사이를전기적으로연결시켜오동작을일으키는현상으 로고장모드는정의된다 전기적회로가구성되어수분 과전위차가존재할경우 양극에서는금속이전기화 학적으로이온화하며 이온화된금속이온은양극과음 극의전위차로인해음극에서환원되어석출하게된다 이러한현상은전기화학적분해반응과석출반응에의해 발생하는현상이다 즉전위차가존재하는전극사이에 전압을인가하였을때이온화된금속이불순물등에의해 금속으로석출되어 과같이수지상정 을성장하여전기적단락을유발하는현상이다 일반적 인발생조건은두배선간에전기가흐르고수분이존 재하는경우발생되며 가속인자로는온도 습도 전압 등이이온화를촉진시킨다 이온마이그레이션이 발생되는전기화학적반응메카니즘은다음의 가지단 계로구별하여설명할수있다 있다 이러한기계적특성은 점굽힘피로시험 의경우무연솔더합금이유연솔더합금보다빠르게균열이발생되는것에서도잘나타나고있다 는 점힘피로시험후 솔더접합부의계면에서발생한균열을보여주고있다 은 솔더의웨이브솔더링후발생되는솔더필렛 부위의응고결함 을나타내었다 의 패드부위들뜸

국방분야전자기기의무연솔더적용을위한신뢰성검증방안 으로떨어져나갈수있어 로 분류될수있다 4.

격에의해끊어진휘스커가전자보드의표면을이동하 며원치않는전기적신호전달을발생시킬수있다 이러한현상은필드사용중문제를유발하여고장현상 을나타내지만 원인규명을위한처리및취급중충격 국방환경에가장적합한무연솔더합금을찾아내고자한다면두가지가제시될수있다

제안된두가지방법에는신뢰성평가라는공통적인항목이적용되고있다 국방분야무연솔더적용을위한신뢰성평가를위해서우선환경스트레스에대해정의되어야한다 일반민수용전자제품에비해국방분야의전장장비사용환경은 와같이극한환경조건으로고열충격 고온 고습

5 국방분야전자기기의무연솔더적용을위한신뢰성검증방안 으로떨어져나갈수있어 로 분류될수있다 4. 국방분야무연솔더적용을위한고려사항 라 휘스커 무연솔더합금에서매우중요한문제로 와같 이 금속표면에서원기둥모양의단결정이자발적 으로성장한수염형상의휘스커문제가있다 휘 스커가인접한부품의리드나단자까지성장하여접촉 되면전기적오동작을일으킬수있다 또한진동 충 격에의해끊어진휘스커가전자보드의표면을이동하 며원치않는전기적신호전달을발생시킬수있다 이러한현상은필드사용중문제를유발하여고장현상 을나타내지만 원인규명을위한처리및취급중충격 국방환경에가장적합한무연솔더합금을찾아내고자한다면두가지가제시될수있다 첫번째는기존의제시된주요무연솔더합금을국방환경에적합한신뢰성시험을통해가장강건한무연솔더를선정하는것이고 두번째는신뢰성시험을통해스트레스를가속화하여문제점을빠른시간내에도출하고원하는신뢰성수준으로물리적 기계적특성을향상시키는것이다 제안된두가지방법에는신뢰성평가라는공통적인항목이적용되고있다 국방분야무연솔더적용을위한신뢰성평가를위해서우선환경스트레스에대해정의되어야한다 일반민수용전자제품에비해국방분야의전장장비사용환경은 와같이극한환경조건으로고열충격 고온 고습 고진동등여러스트레스조건이복합된복합환경의가혹조건이다 국방전기전자부품의경우동작시접합온도 가 까지구동된다 따라서열확산에의해솔더는 이상의고온스트레스를겪게된다 여름철해안가와같은환경에선 이상의상대습도조건에노출될수있다 진동과충격의경우적용되는장비에따라달라질수있다 휴대용유도무기 통신장비 항공용전장 대전차무기등그종류와사용목적에따라실제국방환경사용시발생되는진동과충격을실측하여신뢰성시험조건에반영할필요가있다 국방분야의제품사용기간은최대 년까지도요구되며 보증기간도 년으로민수전자제품 년에비해장시간신뢰성보장가능해야한다 사용중불량은사람의생명과전쟁의승패에직접적인관계로불량률 가요구된다 따라서솔더접합

6 신뢰성을평가하고검증하기위한기준확립이요구된다 5. 국방분야유도무기용전자기기무연솔더용신뢰성평가방안 국방분야유도무기용전자기기내솔더접합부에적 용하고자무연솔더합금의열적 기계적신뢰성을확보 하기위해신뢰성항목과기준이 장에서논의된환경 스트레스인자를반영하여고찰되어야한다 신뢰성평 가는 와같이최적화된무연솔더링공정후 제작된시제품에대해평가한다 무연솔더적용제품 의신뢰성평가는제품전체가아닌 또는 수준에서수행되어진다 가 열충격시험 국방환경사용온도구간조건이민수환경보다 Δ 로두배이고이것으로인해열팽창계수는더욱더커지 게된다 열충격시험은 와솔더의열팽창계수차이 로인해열 기계적피로스트레스 를인가하여솔더균열을야기하기위 해적용되는시험이다 또한휘스커를재현하는평가로 도활용가능하다 열충격시험에관한국제규격은 규격을참조할수있다 민수 용전기전자부품은 조건에기본 사이클을일반적으로적용하고있으나국방환경은 의평가 조건을적용하여 분 분 사이클 승온 감온 율 분을적용가능하다 시험전 후무연솔더접합 부의균열발생여부를확인하기위해공진주파수를측 정하며 단면분석을통한솔더접합부의균열발생여 부를관찰할수있다 열충격평가프로파일은 과같다 Temperature 나 전기화학적이온마이그레이션시험 이온마이그레이션의발생메카니즘은 장에서언급 되었다 무연솔더적용으로 구리패드의산화를 방지하기위해새로운 표면처리재료및방식이필요 로한다 이무연솔더 용표면처리방식으로개발되었다 표면처리에따른전 기화학적인반응으로비정상적인단락현상에대한신뢰 성또한검토해야한다 관련국제규격은 이있다 TEMPERATURE PROFILE Time

국방분야전자기기의무연솔더적용을위한신뢰성검증방안 15.75mm 50.0mm 50.

무연솔더합금의경우산화 가잘일어난 다 따라서고온고습환경에서산화및부식 반응을촉진시켜고장유무에대한평가가필요하다 하지만 시간이상이라는매우 장시간시험이필요로하여이와유사한고장메카니즘 을평가하는데적용할수있는시험이 의증기 압시험 이 다

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7 국방분야전자기기의무연솔더적용을위한신뢰성검증방안 15.75mm 50.0mm 50.0mm 조건의 환경을적용하는경우와 바이어스 바이어 스같이고온고습바이어스를적용하는경우가있다 고 장판정은 Ω 이하이다 이온마이그레인션시험용 샘플은 와같이 및 에규정된콤 패턴 형상으로설계되며 와같이제작된다 다 증기압시험 무연솔더합금의경우산화 가잘일어난 다 따라서고온고습환경에서산화및부식 반응을촉진시켜고장유무에대한평가가필요하다 하지만 시간이상이라는매우 장시간시험이필요로하여이와유사한고장메카니즘 을평가하는데적용할수있는시험이 의증기 압시험 이 다 국제규격은 이며 조건은 기압이다 민수환경에서일반적 으로 조건인 시간을시험하며 국방환경에서는 와 조건인 시간과 시간이적절한것으로사 료된다 라 진동및충격시험 유도무기는가동및비가동중끊임없는진동과충격 스트레스를받게된다 장에서검토되었듯이무연솔더 합금의경우유연솔더합금에비해젖음성및기계적 특성이좋지않아유연성취약으로이어져진동과충격 에접합부가취약하다 따라서국방환경에무연솔더합 금적용시진동시험과충격시험은내구신뢰성을검증 을위해반드시고려되어야할항목이다 일반적으로 진동시험과충격시험은 과 기준을따르거나국내실정에맞게개 정하며어떠한제품인지에따라시험조건이달리수행 된다 은유도무기중항공용전자전장비에적 용되는국내국방진동시험평가예이다 민수용전자제품의경우운송시받을수있는손상 으로 복합진동이다 하지만국방환경 은사용중에지속적으로진동스트레스를받으며 까지광범위한진동주파수를겪고있으므 로민수규격과는차이가있다 진동시험장비는 와같고시험하기위한진동프로파일조건은 와같다 항공용전자전장비의충격시험조건은 과같이

대한비교 분석하였다 민수환경과국방환경을비교하여어떠한인자들이차이가발생하는지분석하였다 이를통해민수용전기전자부품에적용되어사용되고있는신뢰성시험적용이가능함을판단할수있었다 열충격시험 증기압시험

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8 대한비교 분석하였다 민수환경과국방환경을비교하여어떠한인자들이차이가발생하는지분석하였다 이를통해민수용전기전자부품에적용되어사용되고있는신뢰성시험적용이가능함을판단할수있었다 열충격시험 증기압시험 전기화학적이온마이그레이션시험 충격 진동시험등이다 그러나대상제품의사용환경이서로다르므로신뢰성시험항목내시험조건을변경하여야하며 과 를활용하여국방분야유도무기용저자기기의무연솔더접합신뢰성검증을위한시험조건을제시하였다 제시된신뢰성시험및조건은시험후접합계면분석을통해솔더접합부의금속간화합물 접합특성해석을통해물리적인고장현상이타당함을반드시증명해야할필요가있다 이러한실험적결과를바탕으로사용환경이다른무기들의전자기기에대해서도무연솔더적용을위한신뢰성검증항목과조건의재검토및개정이이루어져야할것으로사료된다 후 기 본연구는국방부민군규격통일화사업의일환으로수 행되었으며 연구비지원에감사드립니다 에의존한다 충격시험장비는 와같고시험하기위한충격프로파일셋팅은 와같다 민수에서는부품이나보드레벨로충격시험을하지않으며사용중충격을재현하는평가법도현재로써는개발된것이없는실정이다 실제휴대폰을 높이에서낙하시험을하고있으나이것은충격량을측정하는것이아닌사용자환경에의한고장을사전검사하는수준의시험방법이다 진동및충격시험의경우지속적인실환경측정연구를통해데이터를확보하고이를기반으로실사용환경이반영된시험조건을만드는것이매우중요하다 6. 결론 국방분야유도무기용전자기기에효과적인무연솔더적용을위해접합신뢰성검증항목선정및적용기준에 참고문헌

9 국방분야전자기기의무연솔더적용을위한신뢰성검증방안

10 정재성 년생 전자부품연구원 구기영 년생 국방기술품질원 황운희 년생 국방기술품질원 오철민 년생 전자부품연구원 윤영호 년생 국방기술품질원 홍원식 년생 전자부품연구원

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DBPIA-NURIMEDIA 특집 : 3 차원진보적전자패키징의공정기술과평가 국방전자장비의무연솔더접합신뢰성검증기준개발가이드라인 홍원식 구기영 황운희 전자부품연구원부품소재물리연구센터 국방기술품질원유도전자기술팀 Verification Guideline of Pb-free Solder Joint Reliability for Military Electronics Won Sik Hong*,, Gi-Young