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

1 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 Goo** and Un Hee Hwang** *Components and Materials Physics Research Center, Korea Electronics Technology Institute **Missile and Electronics Research Team, Defense Agency for Technology and Quality Corresponding author : wshong@keti.re.kr 1. 서론 전기전자분야의무연솔더 의적용은유럽의특정유해물질사용제한지침 과폐기물처리지침 에따라 규제예외조항의품목을제외하고일반적으로적용되고있다 최근에는규제예외조항에포함된제품및부품에대해규제대상으로포함하는 규제가진행되고있다 이러한환경관련규제는모든전자부품에대해무연화를가속화시키고있다 그예로써 인쇄회로기판 의표면처리에대한무연화 칩 부품과같은수동부품의전극표면처리 재료에대한무연화뿐만아니라 패키지와같은 패키지부품의솔더볼및리드도금재료도무연화가도입되었다 그러나국방 우주항공및의료기기분야에대해서는현재 예외조항으로분류되어있어무연화적용대상이아니다 의료기기분야의경우 년부터 적용대상으로포함됨에따라 의료용전자기기에대한무연솔더적용방안및제품개발에따른안전적확보가요구되고있다 국방및우주항공용전자장비에대해서는현재까지무연화적용을위한논의가이루어지지않고있다 그러나국방분야에대한무연솔더적용방안을논의하는이유는전자부품의수급이불가능하게됨에따라문제가대두되기시작하였다 그리고민 Pb-free solder joint Environmental stress Test method Thermal/humidity environment High temp. storage Low temp. Storage Thermal shock High temp / high humidity Temperature cycling Whisker Electrochemical migration Mechanical environment Vibration (1 or 3 axis) Drop Impact Bending fatigue 45deg. lead pull (tensile) Shear strength

2 국방전자장비의무연솔더접합신뢰성검증기준개발가이드라인 군규격부합화에따라민수및국방분야전자기기용전자부품의공통사용이일반화되고있다 현재우리나라의국방규격은납 이함유되어있는 솔더를적용하는것으로되어있다 그러나민수분야의대다수전자부품은이미무연화가완료됨에따라부품의표면처리 용솔더볼및 표면처리등모든부품이무연화가이루어져있다 이러한민수분야의무연화에따라일부납이함유된유연전자부품의단종및수급불가능에따라국방분야에서유무연부품이혼재사용되고있으며 이에따른솔더접합부수명검증방안및혼재사용타당성검증이요구되고있다 이러한현상은세계적으로전자산업의무연화생산체제로전환이가속화되고있는시점에서 향후국방분야에서요구되는 납이포함된유연부품의수급이불가능해질것으로판단된다 부품의경우이미유연부품수급불가능에따라무연부품이일부적용되고있는실정이다 이러한경우 가장문제로대두되는것이 솔더페이스트와무연솔더볼의접합관련부분이다 이러한유무연혼재사용에대한솔더접합부는제품이목표수명주기동한안정적으로사용되기어렵다 유무연솔더가혼재하여사용된접합부에서는솔더링후장시간사용기간후유연솔더및무연솔더이상분리 가발생되며 유연솔더부분에서는 지역이형성됨에따라접합강도가감소하여접합부파괴가발생된다 또한솔더링공정온도가유연솔더조건에설정되어있어 무연솔더합금의완전한용융및응고가이루어지지않고있어 공정불량을유발하는원인이되고있다 접합공정온도를증가시키는경우 다양한 부품 플라스틱사출물및 등의전자부품에대한내열온도보증여부를확인하여야한다 따라서단순히공정온도증가로만이러한문제점을해결할수없는것이공정개선의어려운점이다 결국유무연솔더가혼재적용된제품의접합공정온도를증가시키거나완전한무연화를적용한경우 솔더접합부에대한신뢰성및접합수명을검증하는것이요구되고있다 그러나다양한사용환경을가지고있는국방전자장비의경우 일률적으로한종류의신뢰성검증시험규격을적용할수없는문제점이이있다 국방분야의경우 육 해 공군의작전환경이다르며 이에따라전자장비의사용환경또한서로상이하다 따라서산업체및규격관리측면에서의접합신뢰성검증기준을만들수있는가이드라인의개발및보급이요구되고있다 따라서본논문에서는국방분야에대한무연솔더적용전자장비의무연솔더접합신뢰성검증방법을수립하기위한절차및방법을제시하였다 2. 민수및국방전자장비의사용환경분석 국방용전자장비가민수용일반전자제품과가장다른차이점중하나가제품이사용되는환경및목표수명일것이다 은국방및민수용전자장비의여러가지차이점을비교한결과이다 국방용전자기기는 년이상의장시간목표수명을요구하고있으며 사용환경또한실외의가혹한환경에서높은온도 습도 진동및충격에의한스트레스를받고있으며 각각의스트레스인자가복합된복잡한스트레스인가상황에서사용되고있다 사용중제품이격는온도범위는최저 에서최대 범위까지사용되고있어온도편차 는최대 까지발생된다 이러한사용환경에서제품에요구하는평균고장률 은일반적으로 수준이며 통상 를요구하기도한다 결국무연솔더가적용된민수용전자제품의요구성능보다훨씬가혹한조건의성능을요구하고있어 무연솔더가적용되거나유무연솔더가혼재적용된경우 반드시접합부에대한수명및신뢰성검

3 홍원식 구기영 황운희 증이요구된다 3. 국방무연솔더적용가이드개발절차 3.1 무연화전자장비의솔더접합수명검증기준수립절차 국방전자기기에대한무연솔더접합수명검증을위 한일반적인시험기준설정절차는 와같다 첫 번째단계로 제품의실제사용환경및저장환경에대 한분석이다 이것은제품이필드에서경험하게되는 다양한종류의스트레스에가장큰영향을미치는것으 로써 실제제품이사용되는환경을정량적으로구별할 수있도록환경조건을조사하고분류하는단계이다 분 류되는항목은온도 습도 전압 전류 진동 충격등 의단위조건으로분류한다 분류된항목에따라제품 이받는최대및최소값을조사한다 이데이터는이후 시험조건설정의기본적인범위설정의근거가된다 두 번째단계는실제사용환경에서발생하는국방전자기 기의 주요고장모드및메커니즘을조사하여분류하 는것이다 사용환경중발생된고장이력을조사하고 분류함으로써주로발생되는고장및파괴현상을정리 하는단계이다 세번째단계는앞의기초확보된자료 를기반으로무연또는유무연혼재사용된솔더접합 부의신뢰성검증을위한시험항목및시험조건의결정 이다 이때동시에고려할사항으로는신뢰성평가중 고장유무를판단하기위한성능평가및특성평가항목 과기준값의결정이다 이단계까지완성되면 이후 시험진행을위한시험계획을수립하고 시험을진행한 후데이터분석및해석을통해제품의신뢰성검증을 완료하게된다 3.2 주요고장모드및고장메커니즘도출 일반적으로나타나는전자장비의고장모드는특성변 화 단선 단락 및 전기적특성불안정 의 가지형 태로나타난다 또한고장이발생하는형태는 가지로 구별할수있는데 과도한스트레스 인 가와마모 에의한고장으로분류한다 는제품의설계한계를초과한외부스트레 스가인가되는경우고장이발생하는것이며 은제품이목표수명까지도달함에따라발생하는고 장발생이다 고장메커니즘 이란솔더접합 부의파괴를유발시키는기계적 전기적 화학적 물리 적또는복합된스트레스의결합과정으로정의한다 이 러한잠재적인고장메커니즘의원인과스트레스인자 가결합하여특정형태의고장모드를유발하게된다 따라서스트레스인자 고장메커니즘및고장모 드를분류하고그원인을규명하는과정이솔더접합수 명검증을위해서가장중요한부분이라할수있다 는일반적을나타나는전자부품의고장형태에따 라스트레스인자와고장메커니즘을분류한사례이다 사용환경에서인가되는스트레스인자에따라여러가지 고장현상이유발될수있음을알수있다 부품분해분석 : 재질, 공법 군수품실사용환경분석 제품의필드사용환경조건정의 부품분해분석 : 재질, 공법 필드잠재고장모드분류 잠재고장모드 / 메커니즘분류및정리 요구성능과잠재고장매커니즘의상관관계분석 고장메커니즘해석 주요잠재고장메커니즘추출 잠재고장매커니즘과시험방법의상관관계분석 환경시험항목도출 고장검출시험항목도출 시험조건설정 고장검출우선순위에따른시험계획수립 시험계획수립 시험절차서작성 시험규격작성 환경시험 ( 열충격 / 진동 / 고온고습 ) 수명시험 신뢰성평가및검증 시험을통한 Weak point 축출 고장분석을통한개선안도출

국방전자장비의무연솔더접합신뢰성검증기준개발가이드라인 Environmental conditions Temperature Vibration Moisture Pressure Ionic contamination Radiation Combined Stress Operational conditions Power Current Voltage People Failure

4 국방전자장비의무연솔더접합신뢰성검증기준개발가이드라인 Environmental conditions Temperature Vibration Moisture Pressure Ionic contamination Radiation Combined Stress Operational conditions Power Current Voltage People Failure modes Parameter drift Short Open Electric Instability Types of failure Overstress Wear-out Failure mechanisms Failure mechanism interactions Complimentary Competitive Overstress mechanisms Mechanical Thermal Electrical Radiation Chemical Yield, Fracture, Interfacial de-adhesion Glass transition(tg) Phase transition Dielectric breakdown, Electrical overstress, Electrostatic discharge, Second Breakdown Single event upset Contamination(ionic) 성분변화, 결정구조의변화, 국부적성분변화 ( 편석, 개체물 ) Failure mechanisms Wear out Mechanisms Mechanical Thermal Electrical Radiation Chemical Fatigue, Creep Stress driven diffusion Voiding(SDDV) Electromigration, Surface charge Spreading, Hot electrons, CFF, Slow trapping Radiation embrittlement, Charge trapping in oxides Corrosion, Dendrite growth, Depolymerization, Inter metalic Growth 는사용환경중인간되는다양한스트레스 인자들로인해발생가능한고장모드의유형에대한사 례이다 물리적인자로는온도 습도및온습도복합인자 에의해열팽창계수 의차 박리 전기화학적이온마이그레이션 및부식 등의고장형태가나타날수있다 기계적스트레스에의한고장으로는기계적반복응 력 진동 충격 마찰등에의해솔더접합부의균열을 유발함으로써고장형태를유발할수있다 또한전기적스 트레스로는과전압 과전류 정전기 간섭 등에의한전기적고자형태가나타난다 그러므로제품의실사용환경에서스트레스인자를 명확히분류해내는것이이후신뢰성검증을위한가장 중요한부분이라할것이다 대표적으로이러한고장모 드와메커니즘을고장을유발하는스트레스인자를기 준으로정리한사례를 에나타내었다 이러한 고장인자에따른분류를통해주요고장을유발하는스 트레스인자를도출할수있게된다 3.3 고장메커니즘기반의신뢰성평가항목도출 실사용환경조건으로부터도출된주요고장모드와고 장메커니즘을분류하면 와같이고장을유발 하는주요인자 스트레스 를구별할수있게된다 이 러한고장유발인자를실험적으로인가할수있도록실 험항목및조건을설정하는것이신뢰성평가항목도 출단계이다 예를들어 솔더접합부의주요필드고장 을조사한결과접합부의균열이란결론이도출되었다 면 균열의원인이무엇인지를분석하는것이고장메커 니즘분석이다 고장원인이 에의해발생될수있 으며 크립 또는열적 기계적피로파괴에의해 발생될수도있다 이러한원인이열적피로파괴라고 한다면 실험방법으로우리는열사이클시험 을선정하게된다 고온과저온의반복적 열사이클시험을통해솔더접합부의반복적인피로스

5 홍원식 구기영 황운희 트레스를인가할수있기때문이다 그다음으로는실 험조건을설정하여야한다 실제제품의사용환경조건 에서의최저및최고사용온도를조사하여 실험조건으 로사용하게된다 일반적으로군수용전자장비는최저 에서부터최고 범위에서사용되고있 으며 제품이최저 최고온도를경험하는주기가 년에 정도반복사용되고있다 따라서시험조건을 최소 을반복시험한다면 빈도가속의개념으로볼때 년의사용주기를경험하게되는것이다 이러한제품의사용주기 목표수명 및사용환경을분석한데이터를기반으로솔더접합부의신뢰성평가항목및조건을설정할수있다 시험항목의예는다음절에서자세히기술하였다 3.4 무연솔더접합부신뢰성평가항목사례 앞의내용에따라솔더접합부에대해순차적으로정립된접합신뢰성검증항목의사례를보면다음 와같다 환경적 기계적그리고전기적환경으로부터야기되는고장메커니즘에따라각기시험항목이다르게된다 따라서시험항목을결정할때 품질기능전개 를활용한 도표를활용하면효과적이다 는솔더접합부에대해 도표를활용하여정리한예이다 가로축에는고장을유발하는주요메커니즘이중요도순으로배열되며 세로축에는스트레스인자 가나열되게된다 메커니즘에가장많은영향을미치는인자의중요도에따라각각구별될수있도록기호나 숫자등으로분류한다 그렇게되면가장중요도가많은메커니즘과그메커니즘에영향을미치는인자를중요도순으로도출할수있게된다 이러한중요인자에따라시험항목을결정하면된다 주요인자는가장기본적인물리적값인온도 습도 전압등으로나타남으로 이를인가할수있는시험방법을결정하면된다 솔더

6 국방전자장비의무연솔더접합신뢰성검증기준개발가이드라인 접합부의신뢰성검을위해사용되는시험종류는열충격 시험 열사이클시험 고온고습시험이환경시험으로주로 활용되고있다 기계적시험항목으로는인장강도 전단 강도 굽힙피로시험 낙하시험 진동시험및충격시험 등이활용되고있다 또한일정하중에서장시간고온에 노출되는솔더접합부에서는크립시험도활용되고있다 3.5 시험샘플수결정 시험항목과시험조건이결정되었다면 그다음으로는 시험샘플수를결정하여야한다 일반적으로금속분야 서사용되는샘플수는 개정도를사용하여얻은 데이터의최소및최대값을제외한 개의산술적평균 값이사용되고있다 그렇지만 이경우산술적평균의 값은얻을수있지만 데이터의신뢰도 실험적오차수 준 데이터의산포및분산정도를정확히파악하기는 어렵다 물론적은양의데이터를이용하여통계적데 이터를확보할수있지만 신뢰도측면에서낮은수준 으로도출될것이다 따라서정량적인데이터분석을 위해정확한샘플수가우선적으로정의되는것이필요 하다 시험대상제품의고장분포및고장률을모를경우 일반적으로이중정규분포를가정하여다음식 에 의해샘플사이즈를결정할수있다 ln ln 여기서 은시험시편수 β 는 신뢰수준 이고 는고장률또는신뢰수준상한값이다 예를들어 고장률이 이하이고 신뢰수준 이 수준인경우 시험시편의수는어떻게결정할 것인지정량적도출이요구된다 이경우를식 에대 입하면다음식 와같이계산되며 최종적으로시편 의수는 개가도출된다 ln ln ln ln 개의샘플수가갖는의미는제품의신뢰수준을 모르는경우 시험자는특정신뢰수준을정의하고정규 분포의고장분포를갖는것으로가정함으로써 샘플사 이즈에제한되지않는고장률을구할수있게된다 이 것을역으로이용하면신뢰수준에독립적인샘플사이 즈 즉시험시편의수량을결정할수있게된다 따라서일반적으로신뢰되는수주의샘플수는 개 를적용하는것이이론적으로적합할것으로판단된다 그러나샘플의가격이고가이고 수량에제한을받을 경우 샘플수량을 개이내로조정하기도한다 그러 나이경우에는신뢰수준이낮아지는것은피할수없 다 그러나개발초기단계에서높은신뢰수준을설정하 고실험하기는현실적으로많은문제점을가지고있다 따라서초기에는낮은신뢰수준의샘플사이즈를가져 가며 개발완료단계에서는최종적으로신뢰수준을단 계적으로높이는방향으로실험이진행되어야할것으 로판단된다 4. 결론 국방분야의무연솔더는현재까지적용되고있지않 다 그러나유연부품의단종으로민수용전자부품을일 부사용함에따라 무연솔더가적용된부품이일부적 용되고있다 이런경우유무연솔더가혼재적용된부 품의접합수명검증이요구된다 다양하며가혹한전장 환경에서사용되는국방전자기기는단일화된신뢰성 평가기준을적용할수없다 따라서본논문에서는다 양한사용환경에의해인가되는스트레스인자에따라 솔더접합수명을검증하기위한시험항목및조건을 결정하는절차와방법에대해체계적으로분석하고정 형화하였다 이러한접합신뢰성개발가이드라인은국 방무기및비무기체계의무연솔더적용을위해선행 적으로확립되어야할부분으로써 본연구결과는국 방분야무연화대응을위한기초자료로활용될것으로 사료된다 후 기 본연구는민군규격통일화사업의일환으로수행되었 으며 연구비지원에감사드립니다

7 홍원식 구기영 황운희 참고문헌 홍원식 년생 전자부품연구원 황운희 년생 국방기술품질원 국방전자통신 구기영 년생 국방기술품질원 국방전자통신

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DBPIA-NURIMEDIA 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