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열적 부하를 통한 PCB 변형률 측정 실험(반도체 칩, Strain, Stress, Crack, Thermal Loading, DIC) 본문
열적 부하를 통한 PCB 변형률 측정 실험(반도체 칩, Strain, Stress, Crack, Thermal Loading, DIC)
FAMTECH 2023. 10. 13. 15:00
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Printed Circuit Board (PCB) Measurement+Thermal Loading
시험 구성은 위와 같습니다. 변형률(Strain) 및 Crack 상태를 확인할 PCB를 올려 놓고 히트건(Thermal Loading)으로 열을 가합니다. 그리고 전 후 상태를 2개의 정밀 카메라를 통해 3D로 촬영합니다.
이때 이미지 분석은 팜테크(FAMTECH)에서 제공하는 CSI사의 VIC-3D로 진행합니다. 이와 같은 기술을 DIC라고 합니다. DIC는 "Digital Image Correlation"의 약자로, 디지털 이미지 상호 비교를 의미합니다. 이 기술은 이미지 처리 및 컴퓨터 비전 기술을 사용하여 물체의 표면에 생기는 변형이나 변화를 정량적으로 분석하는 데 사용됩니다. DIC는 주로 물체의 형태, 움직임 및 변형을 이해하고 측정하기 위해 활용됩니다.
PCB느 주로 두 가지 주요 기능을 가지고 있습니다. 첫 번째로, PCB는 기판 상의 단자 간의 전기 연결을 제공합니다. 두 번째로, PCB는 저항, 캐패시터, 마이크로칩과 같은 전자 부품을 납땝(Soldering)을 통해 고정시킵니다. PCB는 작고 가벼운 디자인으로 제작되어 다양한 전자 기기에 사용되며, 스마트 워치, 휴대폰, 컴퓨터, 디지털 카메라 등 거의 모든 전자 기기에서 찾아볼 수 있습니다.
이 응용 사례에서는 PCB 및 해당 부품에 열적 부하를 가하고 결과를 분석합니다. PCB 산업에서는 정상 조건에서 제품이 예상대로 작동하는지 확인하기 위해 열적 부하 테스트를 주로 수행합니다. PCB에 부착된 각 종 반도체 소자 및 납땝은 다른 크기의 CTE(Coefficient of Thermal Expansion)을 가지기 때문에 열에 의해 파손 가능성이 있습니다.
그림1는 VIC-3D 디지털 이미지 상호 비교 시스템이 어떻게 구성되었는지를 보여줍니다. 이 시스템은 5 메가픽셀 카메라와 35mm 렌즈로 PCB와 그에 부착된 부품을 관찰합니다. 열 부하는 기판의 반대쪽에서 열건으로 가해집니다. DIC 데이터는 FOV(Field of View)의 크기를 대략적으로 58mm x 39mm x 6mm로 나타냅니다. 테스트는 거의 1시간 동안 진행되었으며 온도는 화씨 350도를 초과했습니다.
위 그림에서 왼쪽은 Out of Plane 방향의 변위(W)를 나타냅니다. 오른쪽은 In Plane의 Y 방향의 변위 값을 나타냅니다. 이를 통해 칩의 이동을 확인할 수 있습니다.
라그란지안 변형률(Lagrangian Strain)의 평균은 700 ~ 4000 microstrain 정도이고 납땝 부분과 파트 부분의 분리해서 확인하면 Thermal Loading에 의한 영향을 확인할 수 있습니다.
DIC (Digital Image Correlation)는 재료 특성을 평가하는 데 사용되며, 이는 Young의 탄성계수, Poisson의 비율, 유리 전이 온도(Tg), 및 열 팽창 계수(CTE)와 같은 정보를 얻을 수 있습니다. 이는 PCB 라미네이트와 같은 후보 재료를 평가할 때 유용합니다. 또한, 패키지와 PCB 간의 CTE 불일치로 인한 열 기계적 손상으로 인한 솔더 피로 문제를 파악할 때 CTE 측정이 도움이 됩니다.
또한, PCB와 부품의 휘어짐은 리플로우 솔더링(Reflow Soldering) 중에 주로 걱정되는 문제입니다. 과도한 휘어짐은 연결 형성이 나쁘게 이루어지거나, 솔더 조인트가 다리 모양으로 연결되거나, 부품이 깨질 수 있습니다. DIC를 사용한 휘어짐 측정은 리플로우 중 휘어짐이 문제로 작용하는 경우를 파악하거나 후보 부품 및 보드 라미네이트를 비교하는 데 도움이 됩니다.
또한, DIC 테스트는 재료 특성과 같은 유한 요소 해석(FEA) 입력을 특성화하고, 시뮬레이션 결과를 확인하는 데 사용될 수 있습니다. 변형 게이지는 지역적인 변형 값을 제공하며 복잡한 조립체나 부하 조건에서 발생하는 문제적인 변형 영역을 놓칠 수 있습니다. 따라서 전체 영역 변위 및 변형 맵은 FEA 결과와 더 포괄적인 비교를 가능하게 합니다.
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