시험분석 및 장비활용지원

물리적 기계적 환경시험

기계적 충격 시험은 부품 및 조립부품으로 부품 자제 뿐만 아니라 인쇄 회로 기판에 조립된 전자 기기를 평가 대상으로 하고 있으며, 일반적으로 운송 및 운반이나 사용 중 순간적인 충격에 대한 조건을 기준으로 하고 있습니다.

부품의 경우, 요구하는 충격 하에 제품의 호환성을 평가 하기 위함이며, 조립부품의 경우 인쇄회로기판에 조립된 부품으로 반복적인 물리적인 충격으로 인한 동작특성 변화를 평가하기 위한 시험 입니다. 본 시험은 충격에 의한 부품인증을 위한 파괴 시험 입니다.

기계적충격 시험 요약

기계적 충격 시험은 3가지 조건을 기준으로 하고 있으며, 요구하는 최대충격력, 노출시간, 충격량으로 구분 합니다.

  • 최대충격력은 제품에 전달 될 최대 가속도를 의미 하며, 오차 범위는 10 %를 적용 합니다.
  • 노출 시간은 최대충격력에서 상승 10% 지점과 하강 10% 지점 까지의 시간을 의미하며, 오차 범위는 15 %를 적용 합니다.
  • 충격량은 최대충격력으로 측정 된 파형의 총량을 의미 하며, 오차 범위는 10 %를 적용 합니다.

부품이나 조립부품으로 충격 파형이 제품 몸체에 직접 전달 하는 경우는 충분히 제품이 단단히 고정 되어야 하며,
제품은 6축 ( +X, -X, +Z, -Z, +Y, -Y)을 기준으로 각 축당 5회로 총 30회를 적용 합니다. [조건 1]
조립부품의 경우 충격에 의해 구부림 현상을 요구하는 경우는 6축( +X, -X, +Z, -Z, +Y, -Y)에 각 2회 총 12회를 적용 합니다. [조건 2]

서비스
조건
최대충격력 노출시간 충격량 상응하는 낙하높이
g ms cm/s in/s cm inches
H 2900 0.3 543 214 150 59
G 2000 0.4 499 197 127 50
B 1500 0.5 468 184 112 44
F 900 0.7 393 155 78.9 31
A 500 1.0 312 123 49.7 20
E 340 1.2 255 100 33.1 13
D 200 1.5 187 73.7 17.9 7
C 100 2.0 125 49.2 7.90 3

[조건 1] 부품(단위소자) 및 조립부품의 표면에 직접 충격이 필요한 경우

서비스
조건
최대충격력 노출시간 충격량 상응하는 낙하높이
g ms cm/s in/s cm inches
1 109 8.0 544 214 151 60
2 108 7.5 506 199 130 51
3 107 7.0 468 184 111 44
4 105 6.5 426 168 92.6 36
5 103 6.0 386 152 75.9 30
6 95 5.8 344 135 60.3 24
7 86 5.6 301 118 46.1 18
8 72 5.4 243 95.6 30.0 12
9 67 5.3 222 87.3 25.1 10
10 61 5.2 198 78.0 20.0 8
11 54 5.1 172 67.7 15.1 6
12 45 5.0 140 55.3 10.1 4
13 39 5.0 122 47.9 7.6 3
14 32 5.0 100 39.3 5.1 2

[조건 2] 조립부품으로 충격에 의한 휨 현상을 포함해야 하는 경우

기계적 충격시험 설비
기계적 충격시험 설비
서비스조건 B : 1500ºC 0.5ms 충격 파형
서비스조건 B : 1500ºC 0.5ms 충격 파형

참조문서

  • JESD22-B110B “Mechanical Shock – Component and Subassembly”
Board Level Drop Test는 Mechanical Shock 장비를 이용하며 Mechanical Shock과 유사한 방법으로 진행합니다. 본 시험은 시험 보드와 기타 준비사항이 모두 규정되어있고, 해당 제품을 daisy chain으로 구성하여 solder joint에 대한 분석을 위한 것입니다. Drop test를 통해 지속적인 품질 모니터링이 가능하며, field에서의 불량과 연계하여 유용한 data로 활용할 수 있습니다. 무연납 (Pb-free)이 사용되면서 SJR에 대한 신뢰성이 issue화 되었고, 휴대용 및 전장 분야에서 본시험에 대한 평가가 요구되고 있습니다. 규정된 보드 8장에 15개씩 component를 실장하고 규정된 peak acceleration, pulse duration, velocity change등에 맞게 stress를 인가합니다. 휴대제품에서 사용하는 표준조건은 peak acceleration이 1500 G, pulse duration은 0.5 ms인 파형입니다.

Summary of Drop Test

Service
Condition
Equivalent drop height
(inches/cm)
Velocity Change
(in/s, cm/s)
Acceleration
Peak (G)
Pulse duration
(ms)
B 44 / 112 184 / 467 1500 0.5

Reference Documents

  • JESD22-B111 “Board Level Drop Test Method of Components for Handheld Electronic Products”
Drop Table에 장착한 JEDEC 표준 보드
Drop Table에 장착한 JEDEC 표준 보드

Vibration Test 는 반도체 제품에 규정된 주파수 범위로 물리적인 진동을 인가하는 방법으로 신뢰성을 평가하는 시험입니다. 본 시험에 Mil-Std 과 JEDEC 이 적용됩니다.

1) the Vibration Fatigue Test, as defined by Mil-Std-993 Method 2005
2) the Variable Frequency Vibration Test, as defined by Mil-Std-883 Method 2007. (JESD22-B103)

두 시험이 서로 다른 형태의 불량메커니즘을 가속하는 시험이지만, 여러 가지 측면에서 거의 유사한 시험입니다.
진동피로시험은 (method 2005) 규정된 수준의 진동을 일정하게 인가할 수 있어야 하고 시험 후, 외관검사와 electrical test로 fail/pass 판정합니다. 시험 시 중요한 점은 샘플을 진동판에 단단히 고정하고 특히 cable 부분을 검토하여 시험에 영향을 주지 않도록 조치하는 것입니다. 그 후 요구하는 시험조건의 최대 가속도값을 갖도록 simple harmonic vibration을 인가 합니다 진동피로시험의 경우 x,y,z 측을 각 32 ± 8 시간 동안 인가하게 됩니다.

Variable frequency vibration 시험 (Method 2007) 역시 진동피로시험과 동일 장비가 요구되고, 시험준비과정도 유사합니다. 시험 준비과정이 끝나면, Peak-to-peak 진폭 (amplitude) 0.06 inch ±10%인 simple harmonic vibration을 인가합니다.
진동 주파수는 20~2000 Hz 주파수 범위에서 logarithmic 방식으로 변하게 됩니다. 20~2000 Hz 전체를 가로지르고 다시 20 Hz로 돌아오는 시간은 총 4분 이내로 합니다. 이런 방식으로 각 X,Y, Z 축에 4회씩 sweep 합니다. (총 12sweep)
진동시험을 완료한 후, 10~20 X 배율로 케이스, lead, seal 및 외관 검사하고, Marking 상태는 3 X 배율 이내로 검사합니다.

Reference Documents

  • Mil-Std883 Method 2005 “Vibration Fatigue”
  • JESD22-B103B “Vibration, Variable Frequency”
진동기와 컨트롤러
진동기와 컨트롤러

PCB 보드는 조립공정이나 실제 사용환경에서 다양한 물리적 부하를 받게 됩니다. 공정이나 시험 그리고 사용 중에 PCB가 반복해서 구부러지게 (cyclic bend)되면, trace crack, solder interconnection crack, component crack이 발생하고 electrical failure가 발생합니다.
공정 중에 실제로 구부러지는 횟수는 많지 않지만 구부러지는 정도는 매우 중요한 요소일 수 있습니다.
반면에, 핸드폰의 숫자 키를 반복해서 누르는 것과 같은 사용자환경에서는 구부러지는 정도는 약할지라도, 휨 횟수가 굉장히 많을 수 있습니다.
Component 제조업자들이 최종제품을 가지고 실제 패키지성능을 평가할 수 없기 때문에, 보드레벨에서 repeated bending test를 진행하고 데이터를 상호 비교해서 mounted component의 성능을 평가하게 됩니다.
본 시험은, 시험에 사용할 board (휴대제품용 소조립부품 드롭시험과 동일한 보드 사용) 규격을 제공하고 있으며, 해당 제품을 daisy chain으로 구성하여 저항변화를 모니터링 합니다.
4장의 보드에 각각 9개씩 component를 실장하여, 최소 60 % 불량이 발생하는 시점까지 시험합니다. (최대 200,000 cycle)

Bending 시험

Summary of Cyclic Bend Test

Parameter Recommended Optional
Span for support Anvils (mm) 110 N/A
Span of Load Anvils (mm) 78 N/A
Load Anvil to Components Keep-out (the minimum distance from
load anvil centerline to edge of closest components) (mm)
10 N/A
Minimum Anvil radius (mm) 3 N/A
Load Anvil vertical displacement (mm) 2 Up to 4 mm
Load profile Sinusoidal Triangular
Cyclic Frequency (Hz) 1 Up to 3

Reference Documents

  • JESD22-B113 “Board Level Cyclic Bend Test”

Torque Test는 일반적으로 torque 힘 측정이나 “비틀림” stress를 평가하기 위해 실시합니다.
실제 제품이 assembly 공정이나 board level에서 장비나 사람에 의해 휘는 현상이 발생합니다.
온도, 습도 조건을 이용한 환경시험을 통해 일정 수준의 신뢰성을 만족했더라도, 물리적인 환경에서 return되는 일이 빈번하기 때문에 해당 제품의 조립/이용 조건을 예측해서 적절한 시험으로 모사해야 합니다.

토크장비 운용모습
토크장비 운용모습

낙하시험 (Drop Test) 은 제품상태, 혹은 제품이 포장된 박스상태에서 운송 중에 혹은 잘못 다루어서 떨어졌을 경우, 제품에 갑작스런 충격이 작용하여 어떠한 영향을 받는지 평가하는 시험입니다. 이와 같은 시험은 제품의 성능을 감소시키거나 영구적인 손상을 줄 수 있으며, 반복적인 시험을 통해 Field에서 발생하는 낙하현상과 동일한 불량을 재현할 수 있습니다. 또한, 3축 가속도계를 사용하여 박스 내 실장되어 있는 제품이나 제품의 원하는 위치에 전달되는 충격량 (g) 을 측정하여 Field에서 발생하는 낙하현상에서 제품에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다.

본 시험은 최대 자유 낙하 높이 84 inch (213 cm) 까지 가능하며, Steel과 Concrete 그리고 Wood Base Plate를 제공할 수 있는 장비를 사용합니다. 낙하방향은 Flatness와 Corner, 그리고 Edge 등의 다양한 각도/방향에서 시험이 가능하며, ASTM D5276-98 시험 규격에 근거하여 제품의 내구성 및 충격량에 대한 시험을 진행하고 있습니다. 반도체 부품상태에 대한 자유 낙하 시험이 응용 가능하며, Concrete Surface로부터 1.2m 높이에서 Package (MEMS Cavity Device) 6축 낙하시험을 규정하고 있는 AEC Q-100 시험도 제공하고 있습니다.

Test Methods

  • Box Level Drop Test : 제품이 포장된 박스 상태에서 낙하시험
  • Product Level Drop Test : 제품 상태에서 낙하시험
  • Package Level Drop Test : 단품(부품) 상태에서 낙하시험

Reference Documents

  • ASTM D5276-98 “Standard Test Method for Drop Test of Loaded Containers by Free Fall”
  • AEC Q-100 Test Group G “Cavity Package Integrity Tests”

낙하시험

낙하시험

낙하충격 측정센서

낙하충격 측정센서
3-axis Accelerometer (Model: 350B50)
High amplitude, shock, triaxial ICP® accelerometer, 0.5 mV/g, 10k g range,
w/built-in 2nd order low-pass filter (-3dB at 20 kHz)

낙하시험 방향

Corner Orientation
Corner Orientation
Edge Orientation
Edge Orientation
Flatness Orientation
Flatness Orientation

Base Plate Type

최상층 Wood Plate → 중간층 Concrete Plate → 최하층 Steel Plate
반도체 부품 생산 후 장시간 보관에 따른 반도체 부품의 Lead 및 Terminal에 대한 열화에 대하여 솔더 물질간의 접합 특성을 평가하는 시험입니다. 반도체 Lead 및 Terminal에 대한 열화는 부품 조립 과정에서 전반적인 솔더링 프로세스의 품질을 떨어뜨리게 되며, 이는 제품의 실사용 환경에서 불량에 원인이 될 수 있습니다.
솔더 관련 불량 양상
솔더 관련 불량 양상
Solderability 시험 방법에는 1) DIP & LOOK, 2) SMD simulation, 3) Wetting Balance 가 있습니다.
Test Method Through-Hole Mount Surface Mount
Leadless J-Lead Gull Wing
Dip & Look Test O O O O
Surface Mount Process Simulation Test X O O O
Wetting Balance Solder Pot Test X O O O
반도체 제품군에 따른 Solderability 요구 시험

Dip & Look

반도체의 Solderability를 평가하기 위한 전통적인 시험방법입니다. 반도체의 Lead 및 Terminal을 용융된 솔더에 담금하여 Solder가 도포된 상태를 검사합니다.
장시간의 제품 보관 환경(e.g. 저장 창고)을 모사하기 위해 전처리 과정(93 ℃의 dry steam 또는 150 ℃에서16시간 BAKE)을 진행합니다. 시험하고자 하는 제품의 종단면을 Flux에 담근 후, 연속적으로 245 ℃의 솔더에 5초간 담금 진행합니다. 시험 대상의 외관을 10배 이상의 현미경 또는 확대경으로 관찰하여 의도한 부분이 95% 이상 도포되었는지, Dewetting, Nonwetting, pinhole 여부를 확인합니다.

Dip & Look 시험 방법
Dip & Look 시험 방법

Surface Mount Process Simulation

SMD 타입 반도체에 대하여 실제 Reflow 환경을 모사하여 솔더 접합성을 평가합니다.
Dip & Look 시험과 마찬가지로 전처리 과정을 진행하고 베이스 기판에 솔더 페이스트의 도포, 제품 결합 및 규격에 따른 Reflow profile을 설정하여 SMD 프로세스를 진행합니다. 이후 베이스 기판과 반도체를 분리, 확대 검사를 통해 95%이상의 정상적인 접합 영역을 확보하였는지 판정합니다.

Solder paste 도포/제품 결합 ──Reflow Process ─→확대 검사(전/후)

Wetting Balance

Wetting Balance 시험 방법은 종이를 물에 담그면 물이 종이를 타고 올라오는 것과 같이 금속도 다른 금속에 젖어 드는 성질을 이용합니다. 반도체 Lead 및 terminal에 대한 솔더의 젖음성을 측정하여 힘/시간 그래프로 표현하며, 균일한 재현성 및 젖음성 판정 근거를 제공합니다.

시료를 담그는 순간부터 Solder가 terminal을 밀고 당기는 힘을 측정하여 위 그림과 같은 그래프로 보여주며, 정량적인 측정이 가능하기 때문에 material 특성을 비교하는데 매우 유용합니다.

Wetting balance 시험기 & Wetting 곡선
Wetting balance 시험기 & Wetting 곡선

Reference Documents

  • JEDEC JEDS22-B102D “Solderability”
  • J-STD-002 “Solderability Tests for Component Leads, Terminations, Lugs, Terminals and Wires”