BGA Type 유.무연 솔더의 기계적 충격에 대한 보드레벨 신뢰성 평가

임지연,장동영,안효석,Lim, Ji-Yeon,Jang, Dong-Young,Ahn, Hyo-Sok 한국마이크로전자및패키징학회 2008 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.15 No.4

The reliability of leaded and lead-free solders of BGA type packages on a printed circuit board was investigated by employing the standard drop test and 4-point bending test. Tested solder joints were examined by optical microscopy to identify associated failure mode. Three-dimensional finite element analysis(FEM) with ANSYS Workbench v.11 was carried out to understand the mechanical behavior of solder joints under the influence of bending or drop impact. The results of numerical analysis are in good agreement with those obtained by experiments. Packages in the center of the PCB experienced higher stress than those in the perimeter of the PCB. The solder joints located in the outermost comer of the package suffered from higher stress than those located in center region. In both drop and bending impact tests, the lead-free solder showed better performances than the leaded solders. The numerical analysis results indicated that stress and strain behavior of solder joint were dependent on various effective parameters. 본 연구에서는 유연솔더인 63Sn37Pb와 무연 솔더인 95.5Sn4.0Ag0.5Cu와 97Sn2.5Ag0.5Cu BGA(Ball Grid Array) 패키지를 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)에 위치에 따라 장착하고 보드레벨의 낙하시험(Board Level Drop Test)을 실시하여 충격에 대한 유 무연 솔더의 특성을 분석하였고 4점굽힘시험(board Level 4-point Bending Test)을 실시하여 굽힘에 대한 솔더볼의 기계적 저항특성을 분석하였다. 또한 유한요소법(Finite Element Modeling, FEM)을 이용해 낙하시험과 4점굽힘시험에서 솔더 조인트에 미치는 응력과 변형률을 해석하였으며, 시험 설계 시에 솔더 조인트의 응력변화에 영향을 미칠 수 있는 변수를 고려하여 해석하고 결과를 비교 분석하였다. 낙하시험과 4점굽힘시험에서 모두 무연솔더는 유연솔더보다 2배 이상 높은 신뢰성을 보였으며, PCB의 중앙에 위치한 패키지는 외각에 위치한 패키지 보다 매우 낮은 신뢰성을 보였다. 유한요소법을 통해 해석한 결과 최외각 솔더에서 가장 큰 응력이 발생하였고, 솔더의 조성과, 시험설계변수에 의해 응력의 발생 정도가 다름을 나타내었다.

미세 배선 적용을 위한 Ta/Cu 적층 구조에 따른 계면접착에너지 평가 및 분석

손기락,김성태,김철,김가희,주영창,박영배,Son, Kirak,Kim, Sungtae,Kim, Cheol,Kim, Gahui,Joo, Young-Chang,Park, Young-Bae 한국마이크로전자및패키징학회 2021 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.28 No.1

The quantitative measurement of interfacial adhesion energy (Gc) of multilayer thin films for Cu interconnects was investigated using a double cantilever beam (DCB) and 4-point bending (4-PB) test. In the case of a sample with Ta diffusion barrier applied, all Gc values measured by the DCB and 4-PB tests were higher than 5 J/㎡, which is the minimum criterion for Cu/low-k integration without delamination. However, in the case of the Ta/Cu sample, measured Gc value of the DCB test was lower than 5 J/㎡. All Gc values measured by the 4-PB test were higher than those of the DCB test. Measured Gc values increase with increasing phase angle, that is, 4-PB test higher than DCB test due to increasing plastic energy dissipation and roughness-related shielding effects, which matches well interfacial fracture mechanics theory. As a result of the 4-PB test, Ta/Cu and Cu/Ta interfaces measured Gc values were higher than 5 J/㎡, suggesting that Ta is considered to be applicable as a diffusion barrier and a capping layer for Cu interconnects. The 4-PB test method is recommended for quantitative adhesion energy measurement of the Cu interconnect interface because the thermal stress due to the difference in coefficient of thermal expansion and the delamination due to chemical mechanical polishing have a large effect of the mixing mode including shear stress. Cu 배선(interconnect) 적용을 위한 다층박막의 적층 구조에 따른 최적 계면접착에너지(interfacial adhesion energy, Gc) 평가방법을 도출하기 위해, Ta, Cu 및 tetraethyl orthosilicate(TEOS-SiO2) 박막 계면의 정량적 계면접착에너지를 double cantilever beam(DCB) 및 4-점 굽힘(4-point bending, 4-PB) 시험법을 통해 비교 평가하였다. 평가결과, Ta확산방지층이 적용된 시편(Cu/Ta, Cu/Ta/TEOS-SiO2)에서는 두 가지 평가방법 모두 반도체 전/후 공정에서 박리가 발생하지 않는 산업체 통용 기준인 5 J/㎡ 보다 높게 측정되었다. Ta/Cu 시편의 경우 DCB 시험에서만 5 J/㎡ 보다 낮게 측정되었다. 또한, DCB시험 보다 4-PB시험으로 측정된 Gc가 더 높았다. 이는 계면파괴역학 이론에 따라 이종재료의 계면균열 선단에서 위상각의 증가로 인한 계면 거칠기 및 소성변형에 의한 에너지 손실이 증가 하는것에 기인한다. 4-PB시험결과, Ta/Cu 및 Cu/Ta계면은 5 J/㎡ 이상의 높은 계면접착에너지를 보이므로, 계면접착에너지 관점에서는 Ta는 Cu배선의 확산방지층(diffusion barrier layer) 및 피복층(capping layer)으로 적용 가능할 것으로 생각된다. 또한, 배선 집적공정 및 소자의 사용환경에서 열팽창 계수 차이에 의한 열응력 및 화학적-기계적 연마 (chemical mechanical polishing)에 의한 박리는 전단응력이 포함된 혼합모드의 영향이 크므로 4-PB 시험으로 측정된 Gc와 연관성이 더 클 것으로 판단된다.

4-point bending test system을 이용한 Cu-Cu 열 압착 접합 특성 평가

김재원,김광섭,이학주,김희연,박영배,현승민,Kim, Jae-Won,Kim, Kwang-Seop,Lee, Hak-Joo,Kim, Hee-Yeon,Park, Young-Bae,Hyun, Seung-Min 한국마이크로전자및패키징학회 2011 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.18 No.4

3차원 칩 적층 접합에 사용하기 위한 Cu-Cu 금속 저온 접합 공정을 위하여 접합 온도 및 플라즈마 표면 전처리에 따른 열 압착 접합을 수행 하였다. 4점굽힘시험과 CCD 카메라를 이용하여 Cu 접합부의 정량적인 계면접착에너지를 평가하였다. 접합 온도 $250^{\circ}C$, $300^{\circ}C$, $350^{\circ}C$에서 각각 $1.38{\pm}1.06$(상한값), $7.91{\pm}0.27$(하한값), $10.36{\pm}1.01$(하한값) $J/m^2$으로 접합온도 $300^{\circ}C$ 이상에서 계면접착에너지 5 $J/m^2$ 이상의 값을 얻었다. 접합 온도 $300^{\circ}C$ 이하 낮은 온도에서 접합하기 위해 Cu-Cu 열 압착 접합 전 Ar+$H_2$ 플라즈마로 $200^{\circ}C$에서 2분간 표면 전처리 후 $250^{\circ}C$ 조건에서 열 압착 접합할 경우 계면접착에너지 값이 $6.59${\pm}0.03$(하한값) $J/m^2$로 표면 전 처리하지 않은 시험편에 비해 접합 특성이 크게 증가 하였다. The quantitative interfacial adhesion energy of the Cu-Cu direct bonding layers was evaluated in terms of the bonding temperature and Ar+$H_2$ plasma treatment on Cu surface by using a 4-point bending test. The interfacial adhesion energy and bonding quality depend on increased bonding temperature and post-annealing temperature. With increasing bonding temperature from $250^{\circ}C$ to $350^{\circ}C$, the interfacial adhesion energy increase from $1.38{\pm}1.06$ $J/m^2$ to $10.36{\pm}1.01$ $J/m^2$. The Ar+$H_2$ plasma treatment on Cu surface drastically increase the interfacial adhesion energy form $1.38{\pm}1.06$ $J/m^2$ to $6.59{\pm}0.03$ $J/m^2$. The plasma pre-treatment successfully reduces processing temperature of Cu to Cu direct bonding.

Ar/N₂ 2단계 플라즈마 처리에 따른 저온 Cu-Cu 직접 접합부의 정량적 계면접착에너지 평가 및 분석

최성훈,김가희,서한결,김사라은경,박영배,Choi, Seonghun,Kim, Gahui,Seo, Hankyeol,Kim, Sarah Eunkyung,Park, Young-Bae 한국마이크로전자및패키징학회 2021 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.28 No.2

3 차원 패키징을 위한 저온 Cu-Cu직접 접합부의 계면접착에너지를 향상시키기 위해 Cu박막 표면에 대한 Ar/N₂ 2단계 플라즈마 처리 전, 후 Cu표면 및 접합계면에 대한 화학결합을 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy)을 통해 정량화한 결과, 2단계 플라즈마 처리로 인해 Cu표면에 Cu₄N이 형성되어 Cu산화를 효과적으로 억제하는 것을 확인하였다. 2단계 플라즈마 처리하지 않은 Cu-Cu시편은 표면 산화막의 영향으로 접합이 제대로 되지 않았으나 2단계 플라즈마 처리한 시편은 효과적인 표면 산화방지효과로 인해 양호한 Cu-Cu접합을 형성하였다. Cu-Cu직접접합 계면의 정량적 계면접착에너지를 double cantilever beam 시험방법 및 4점 굽힘(4-point bending, 4-PB) 시험방법을 통해 비교한 결과, 각각 1.63±0.24, 2.33±0.67 J/m²으로 4-PB 시험의 계면접착에너지가 더 크게 측정되었다. 이는 계면파괴역학의 위상각(phase angle)에 따른 계면접착에너지 증가 거동으로 설명할 수 있는데 즉, 4-PB의 계면균열선단 전단응력성분 증가로 인한 계면거칠기의 효과에 기인한 것으로 판단된다. The effect of Ar/N₂ two-step plasma treatment on the quantitative interfacial adhesion energy of low temperature Cu-Cu bonding interface were systematically investigated. X-ray photoelectron spectroscopy analysis showed that Ar/N₂ 2-step plasma treatment has less copper oxide due to the formation of an effective Cu4N passivation layer. Quantitative measurements of interfacial adhesion energy of Cu-Cu bonding interface with Ar/N₂ 2-step plasma treatment were performed using a double cantilever beam (DCB) and 4-point bending (4-PB) test, where the measured values were 1.63±0.24 J/m² and 2.33±0.67 J/m², respectively. This can be explained by the increased interfacial adhesion energy according phase angle due to the effect of the higher interface roughness of 4-PB test than that of DCB test.

Half-Deck을 포함한 60m 경간 PS 콘크리트 거더의 정적 거동 연구

김태민(Kim Tae Min),박종헌(Park Jong Heon),김문겸(Kim Moon Kyum),임윤묵(Lim Yun Mook) 대한토목학회 2012 대한토목학회논문집 A Vol.32 No.2A

본 연구에서는 PSC 거더교의 장경간 적용을 위해 개발된 half-Decked PSC 거더의 구조적 성능을 실험하였다. 이를 위해 힌자-롤러의 지점 조건의 단순교로 설계된 60 m 경간의 실물 크기 거더를 제작하여 4점 재하실험을 수행하였다. 거더의 중앙을 기준으로 양쪽으로 5.5 m씩 떨어진 위치에 가력장치를 설치후 l kN/sec의 속도로 하중을 재하하여 총 4단계에 걸쳐 반복하중을 가하였다. 1단계부터 4단계까지 1,000 kN, 1,200 kN, 1,500 kN, 2,000 kN의 하중을 재하하고 제거하기를 반복하며 거더의 변위, 콘크리트와 철근의 변형률, 균열 등을 확인하였다. 이를 분석하여 거더의 내하력을 평가하고 하중 제거 시 나타나는 복원력 등을 살펴보았다. 1,400 kN인근에서 초기 휨균열이 발생하여 이 시점부터 하중 재하 시 비선형성이 나타나며 뚜렷한 잔류변형이 계측되었다. 초기 균열이 1등교 기준의 사용하중보다 2배 이상 큰 하중에서 계측되어 충분한 내하력을 갖고 있는 것으로 나타났다. 실험 결과의 검증을 위해 수치해석을 수행하여 결과 값을 비교하였고 그 결과 실험 결과와 해석 결과의 유사한 거동을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 거더의 정적재하실험을 통하여 그 구조적 성능을 입증하였으며, 이를 바탕으로 Half-Decked PSC 거더 형식의 60 m 경간 실교량 설계 적용 가능성을 확인하였다. In this study, we tested structural performance of Half-Decked PSC girder which was developed for applying to long span bridge. We operated 4 point bending test with 60 m span full scale girder designed as simple bridge with hinge-roller boundary condition. Actuators were set on the both sides of girder, 5.5m away from the center, and 4 stages of cyclic loading was applied at tate of 1 l kN/sec. Through stages 1 to 4, loading and unloading, 1,000 kN, 1,200 kN, 1,500 kN, and 2,000 kN were repeated and displacement, strain of concrete and steel, crack of girder were checked. From these results, the strength of girder was assessed and resilience and ductility were observed after removing the load. Since initial flexural crack occurred in the vicinity of 1,400 kN, non-linearity of load-displacement curve appeared and definite residual strain was measured at that point. The test result showed that initial cracking load was over twice the DB-24 load which means the developed girder had sufficient strength. To verify the experimental results, we numerically analyze the test and confirmed that the data were similar with results from the test above. Half-Decked PSC type of 60 m-girder developed in this study showed its adequate structural capacity through static loading test. which proved that possibility of applying the girder to actual bridges practically.

자동차용 엔지니어링 플라스틱의 내구해석용 피로물성 도출에 관한 연구

전태룡(Taeryong Jeon),구자석(Jasuk Koo),김병운(Byungwoon Kim) 한국자동차공학회 2009 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2009 No.11

This study describes the test method to derive the fatigue properties of engineering plastics for fatigue analysis. The fatigue test method is the four point bending fatigue test which includes the jig equipment. The specimen alignment is performed to enhance the accuracy and precision. Test specimens are made of plastics plate which is dog bone type. The bending fatigue test was conducted at a range of load frequency from 4 ㎐ to 10㎐, a stress ratio R= -1.0. The relationship of stress - life is derived from the fatigue test. The S-N curve is applied fatigue analysis of head lamp.

항공기 복합재료 적용 시편의 4점 굽힘 강도 연구

공창덕,박현범,임성진,Kong, Changduk,Park, Hyunbum,Lim, Seongjin 항공우주시스템공학회 2010 항공우주시스템공학회지 Vol.4 No.1

In this study, it was performed damage assesment of small scale composite aircraft developing. This aircraft adopted the sandwich structure to skin of wing. This study aims to investigate the residual strength of sandwich composites with Nomex honeycomb core and carbon fiber face sheets after the open hole damage by the experimental investigation. The 4-point bending tests were used to find the bending strength, and the open hole was applied to introduce the simulated damage on the specimen. The bending strength test results after open hole was compared with the results of no damaged specimen test. The FEM analysis is assessed via an experimental 4-point bending test.

FOWLP 적용을 위한 Cu 재배선과 WPR 절연층 계면의 정량적 계면접착에너지 측정방법 비교 평가

김가희,이진아,박세훈,강수민,김택수,박영배 한국마이크로전자및패키징학회 2018 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.25 No.2

Fan-out wafer level packaging (FOWLP) 적용을 위한 최적의 Cu 재배선 계면접착에너지 측정방법을 도출하기 위해, 전기도금 Cu 박막과 WPR 절연층 계면의 정량적 계면접착에너지를 90o 필 테스트, 4점 굽힘 시험법, double cantilever beam (DCB) 측정법을 통해 비교 평가 하였다. 측정 결과, 세 가지 측정법 모두 배선 및 패키징 공정 후 박리가 일어나지 않는 산업체 통용 기준인 5 J/m2보다 높게 측정되었다. 또한, DCB, 4점 굽힘 시험법, 90o 필 테스트 순으로계면접착에너지가 증가하는 거동을 보였는데, 이는 계면파괴역학 이론에 의해 위상각 증가에 따라 이종재료 계면균열 선단의 전단응력성분 증가에 따른 소성변형에너지 및 계면 거칠기 증가 효과에 의한 것으로 설명이 가능하다. FOWLP 재배선에 대한 최적의 계면접착에너지 도출을 위해서는 시편제작 공정, 위상각 차이, 정량적 측정 정확도 및 결합력 크기등을 고려하여 4점 굽힘 시험법 또는 DCB 측정법을 적절히 혼용 사용하는 것이 타당한 것으로 판단된다. The quantitative interfacial adhesion energy measurement method of copper redistribution layer and WPR dielectric interface were investigated using 90o peel test, 4-point bending test, double cantilever beam (DCB) measurement for FOWLP Applications. Measured interfacial adhesion energy values of all three methods were higher than 5 J/m2, which is considered as a minimum criterion for reliable Cu/low-k integration with CMP processes without delamination. Measured energy values increase with increasing phase angle, that is, in order of DCB, 4-point bending test, and 90o peel test due to increasing roughness-related shielding and plastic energy dissipation effects, which match well interfacial fracture mechanics theory. Considering adhesion specimen preparation process, phase angle, measurement accuracy and bonding energy levels, both DCB and 4-point bending test methods are recommended for quantitative adhesion energy measurement of RDL interface depending on the real application situations.

탄소 직물 배치위치에 따른 TRC 패널의 휨성능 평가

이종억,양준모,김승직,장준호 한국복합신소재구조학회 2019 복합신소재구조학회논문집 Vol.10 No.6

Textile reinforced concrete (TRC), which has merits of light weight design, free molding, and pseudo-ductile performance, is expected as a substitute for reinforced concrete. In this study, TRC panel specimens were fabricated and four-point bending tests were performed in order to investigate the flexural performance of carbon textile reinforced concrete panel and to investigate the effect of carbon textile position. In addition, the flexural behavior of the specimens was numerically calculated based on the general reinforced concrete concept and compared with the experimental results. As a result of the test, the bond failure between concrete matrix and carbon fabric resulted in a large decrease in flexural strength and the decreased performance could be reduced by the eccentric placement of the carbon fabric near the bottom. The numerical calculation results of the TRC panel showed that the initial behavior was similar to that of the bending test. However, since the occurrence of the second crack, there was a big difference between the behaviors due to bond failure. 경량화 설계 및 자유로운 성형이 가능하고 유사연성의 장점을 가지는 직물보강 콘크리트는 철근콘크리트의 대체재로큰 기대를 모으고 있다. 본 연구에서는 탄소 직물을 보강한 콘크리트 복합체 (TRC) 패널의 휨 특성을 살펴보고, 탄소 직물의배치 위치 변수에 따른 차이를 살펴보기 위해 TRC 시험체를 제작하고 4점 재하 휨실험을 수행하였다. 또한, 일반 철근콘크리트개념을 바탕으로 시험체의 휨 거동을 수치계산 결과와 실험결과를 비교하였다. 실험 결과, 콘크리트 매트릭스에서 탄소 직물간의 부착파괴로 인해 TRC 패널의 큰 휨강도 감소와 내하력 감소가 나타났고, 탄소 직물을 시험체 하부로 편심 배치한 경우 휨성능의 감소를 다소 줄일 수 있었다. TRC 패널의 수치계산 결과, 초기 거동에서는 휨실험 결과와 유사한 거동을 나타내었지만, 두 번째 균열의 발생 이후부터는 부착파괴의 발생으로 거동의 큰 차이를 나타내었다.

4점굽힘시험법을 이용한 함몰전극형 Si 태양전지의 무전해 Ni-P 전극 계면 접착력 평가

김정규,이은경,김미성,임재홍,이규환,박영배,Kim, Jeong-Kyu,Lee, Eun-Kyung,Kim, Mi-Sung,Lim, Jae-Hong,Lee, Kyu-Hwan,Park, Young-Bae 한국마이크로전자및패키징학회 2012 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.19 No.1

고효율, 저가격의 태양전지를 위해 습식공정 중 하나인 Ni-P 무전해 도금을 이용한 실리콘 태양전지 웨이퍼를 열처리에 따른 4점굽힘시험을 통해 정량적인 계면 접착에너지를 평가하였다. 실험 결과 실리콘 태양전지 웨이퍼와 Ni-P 박막 사이의 계면접착에너지는 $14.83{\pm}0.76J/m^2$이며, 후속 열처리에 따른 실리콘 태양전지 웨이퍼와 Ni-P 무전해 도금은 $300^{\circ}C$ 처리 시 $12.33{\pm}1.16J/m^2$, $600^{\circ}C$ 처리 시 $10.83{\pm}0.42J/m^2$로써 전반적으로 높은 계면접착에너지를 가지나 열처리 온도가 증가할수록 계면접착에너지가 서서히 감소하였다. 4점굽힘시험 후 박리된 파면의 미세구조를 관찰 및 분석하여 내부의 파괴경로를 확인하였으며, X-선 광전자 분광법을 통하여 표면화학 결합상태를 분석한 결과 열처리 시 Ni-O와 Si-O 형태의 결합이 존재하여 약한 계면을 형성하기 때문인 것으로 판단된다. In order to develop electroless-plated Nickel Phosphate (Ni-P) as a contact material for high efficient low-cost silicon solar cells, we evaluated the effect of ambient thermal annealing on the degradation behavior of interfacial adhesion energy between electroless-plated Ni-P and silicon solar cell wafers by applying 4-point bending test method. Measured interfacial adhesion energies decreased from 14.83 to 10.83 J/$m^2$ after annealing at 300 and $600^{\circ}C$, respectively. The X-ray photoelectron spectroscopy analysis suggested that the bonding interface was degraded by environmental residual oxygen, in which the oxidation inhibit the stable formation of Ni silicide phase between electroless-plated Ni-P and silicon interface.