02.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph, Gabriele Stock
열역학 분석을 이용한 전자 어셈블리 품질 관리
전자 어셈블리의 주요 고장 원인은 열팽창과 이로 인한 문제입니다. 회로 베이스 보드가 특정 품질을 준수하는지 확인하기 위해 열팽창, 유리 전이 및 연화점을 측정해야 하는 IPC 표준이 제정되었습니다. 새로운 TMA 402 F3 Hyperion® 폴리머 에디션으로 표준을 준수하는 방법을 알아보세요.
전자 어셈블리의 주요 고장 원인은 열팽창과 이로 인한 문제입니다. 열역학 분석은 이러한 제품 고장을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다.
FR4 - 전자 산업에서 가장 일반적으로 사용되는 복합재
FR4(FR=난연성) 및 그 유도체(FR2, FR3, FR5)는 전자 회로 기판 및 전자 조립품에 가장 널리 사용되는 기본 재료입니다. FR4의 뒷면 소재는 얇은 천과 같은 시트로 짜여진 유리 섬유로 이루어져 있습니다. 그런 다음 유리 직물에 난연성 에폭시 수지를 함침시킵니다. 이렇게 만들어진 저비용 합성물은 견고하고 안정적으로 단열되며 대부분의 환경 조건에서 우수한 성능을 발휘합니다. 반면에 에폭시 수지 매트릭스는 강화 유리 직물보다 Tg가 낮고 열팽창 계수가 높기 때문에 회로 기판이 생산 공정에서 여러 번의 열 사이클을 거치고 잠재적으로 사용 중에 연화 및 팽창하는 경향이 있습니다. 이로 인해 압착된 소재 컴파운드가 부분적으로 분리되어 접합부 고장 또는 박리로 이어질 수 있습니다. 그 결과 일반적으로 어셈블리의 고장이 발생합니다. 열역학 분석(TMA)은 회로 기판 베이스, 전자 부품 및 부품 재료의 열팽창을 측정하는 좋은 방법입니다.
회로 기판이 특정 품질을 준수하는지 확인하기 위해 열팽창, 유리 전이 및 연화점을 측정해야 하는 IPC 표준이 제정되었습니다[IPC-TM-650 2.4.24.1 박리까지의 시간(TMA 방법) 참조].
CTE 및 Tg- FR4 복합재의 품질 관리를 위한 두 가지 중요한 값
FR4와 같은 폴리머 복합재의 품질 보증을 위한 중요한 재료 특성은 유리 전이 온도, 즉 Tg입니다. 이는 에폭시 수지 구조가 연화되기 시작하는 온도 지점입니다. Tg 값에 도달하자마자 재료는 일반적으로 고체 상태보다 2~3배 더 많이 팽창하기 시작합니다. 열역학적 분석(TMA)은 폴리머, 엘라스토머, 복합재 등 다양한 재료의 팽창 거동과 연화 온도를 연구하는 데 완벽한 도구입니다. 열팽창 계수(CTE), 유리 전이 온도 및 점탄성 특성에 대한 기본적인 정보를 제공합니다. 이 방법은 매우 민감한 방법이며, 때때로 시차 주사 열량계(DSC)로는 감지할 수 없는 모듈러스, 경화 또는 박리 변화와 관련된 약한 물리적 전이를 측정하는 데 사용할 수 있습니다.
따라서 품질 관리를 위해 선택되는 방법입니다. FR4의 최대 처리 온도를 테스트하면 부품 생산 중 인쇄 회로 기판(PCB)이 손상될 가능성을 줄일 수 있습니다.
박리 시간 - 눈에 보이는 제품 고장
예를 들어 리플로우 납땜 오븐에서 조립하는 동안 PCB는 열 스트레스를 받습니다. 박리 시간은 특정 애플리케이션의 재료 선택에 있어 중요한 요소입니다. 아래 그림은 박리 시간을 기록한 FR4 샘플의 측정 결과를 보여줍니다. 두 번의 측정이 수행되었습니다. 두 측정 모두에서 샘플을 테스트 온도까지 가열했습니다. 그런 다음 하나는 260°C(IPC 표준에 따라)의 등온으로, 다른 하나는 300°C의 등온으로 유지했습니다. 260°C(녹색 선)에서의 첫 번째 측정에서는 측정이 끝날 때까지 곡선이 평평하게 유지되어 TMA가 박리를 감지하지 못했습니다. 그러나 300°C의 더 높은 온도에서는 제품의 열화가 눈에 띄었습니다. 두 번째 측정에서는 300°C의 등온에서 18.1분간 유지한 후 측정 시작 후 28분에 도달한 박리 시간을 기록했습니다. 테스트 전후의 다른 샘플을 촬영한 사진에서 볼 수 있듯이 샘플의 물리적 검사에서는 약간의 변색만 보이는 박리를 TMA는 명확하게 감지합니다.
이 테스트는 유럽 연합에서 "유해물질 제한 지침" 2002/95/EC(RoHS 1)가 발효된 이후 특히 중요해졌습니다. 전자 및 전기 장비의 경우, 예를 들어 납 함유 솔더 사용에 영향을 미칩니다. 이제 EU 시장에 생산되거나 판매되는 장비는 납이 함유되지 않은 제품이어야 합니다. 이는 FR4를 포함한 모든 부품에 요구되는 열 안정성에 큰 영향을 미쳤습니다.
이제 무연 솔더를 생산하는 공정에서는 최대 260°C의 리플로우 온도가 필요합니다. 이전에는 리플로우 온도가 240°C에 불과했습니다. 이 연구에 사용된 FR4는 300°C의 온도에 도달할 때까지 박리 효과가 감지되지 않았기 때문에 납 솔더와 무연 솔더 모두에 적합할 것입니다. 그러나 현재 전자 회로 기판 및 전자 어셈블리의 기본 재료로 사용되는 모든 재료가 무연 공정의 새로운 요구 사항을 견딜 수 있는 것은 아닙니다.
위의 TMA를 통한 조사는 제품 고장을 방지하고 고객에게 고품질의 제품을 공급하기 위해 박리 시간을 결정하는 것이 얼마나 중요한지 보여줍니다. 열역학적 분석은 IPC 표준에 따라 적용되어 재료 적합성을 테스트합니다. 새로운 TMA 402 F3 Hyperion® 폴리머 에디션은 광범위한 폴리머 소재를 측정하도록 특별히 설계되었으며 전자 부품 산업의 품질 관리 요구에 매우 적합합니다.
