플립 칩 BGA 솔더 접합부의 열사이클링 해석

Thermal Cycling Analysis of Flip-Chip BGA Solder Joints

시스템 보드에 플립 칩 BGA가 실장된 3차원 유한요소 해석 모델을 구성하여 열사이클시험 과정에서 발생되는 솔더 접합부의 피로수명을 예측하였다. 피로 모델은 Darveaux의 경험식에 기초하여 비선형 점소성 해석을 수행하였다. 해석은 4종류의 열사이클시험 조건과 패드구조, 솔더 볼의 조성과 크기의 변화에 따라 발생하는 크리프 수명을 평가하였다. 해석결과 $-65∼150^{\circ}C$의 열사이클시험 조건에서 가장 짧은 피로수명을 보였으며, $0∼100^{\circ}C$ 조건과 비교하면 약 3.5 배 정도 증가하였다. 동일한 시험조건에서 패드구조 변화에 따른 피로수명 차이는 SMD구조가 NSMD구조에 비해 약 5.7% 증가하였다 결과적으로 솔더 접합부에서 크리프 변형에너지 밀도가 높으면 피로수명은 짧아지는 것을 알 수 있었다

Global full 3D finite element analysis fatigue models are constructed for flip-chip BGA on system board to predict the creep fatigue life of solder joints during the thermal cycling test. The fatigue model applied is based on Darveaux's empirical equation approach with non-linear viscoplastic analysis of solder joints. The creep life was estimated the creep life as the variations of the four kinds of thermal cycling test conditions, pad structure, composition and size of solder ball. The shortest fatigue life was obtained at the thermal cycling test condition from $-65^{\circ}C$ to $150^{\circ}C$. It was increased about 3.5 times in comparison with that from $0^{\circ}C$ to $100^{\circ}C$. At the same conditions, the fatigue life of SMD structure as the change of pad structure increased about 5.7% as compared with NSMD structure. Consequently, it was confirmed that the fatigue life became short as the creep strain energy density increased in solder joint.