제출문
요약문
목차
제1장 서론 22
제1절 연구배경 및 필요성 22
1. 연구배경 22
2. 필요성 38
제2절 연구목표 40
1. 연구최종 목표 40
2. 주요 확보 목표 기술 40
3. 연구추진방법 42
4. 연구현황 분석 44
제2장 미 국방분야 연구결과 국내 적용 방안 47
제1절 민수분야 동향 47
제2절 국방분야 동향 59
1. 미 국방성 및 미 항공우주국 62
2. PERM 81
제3절 맨하탄 프로젝트 국내 적용방안 96
제3장 유럽 및 일본 무연솔더 적용 실태 99
제1절 유럽 동향 99
1. 민수분야 99
2. 국방분야 102
제2절 일본 동향 103
1. 민수분야 103
2. 항공분야(JAXA) 109
3. 무연솔더 신뢰성 기술 118
제4장 주요 방산부품 및 PCB 무연솔더링 가능성 연구 138
제1절 주요 방산 무연부품 및 PCB 138
1. 방산분야 무연부품 현황 138
2. 주요 방산부품 무연공정 적용 가능성 검토결과 139
3. PCB 무연공정 적용성 140
제2절 무연BGA 혼용 회로카드 조립체 제작 및 평가결과 141
1. 무연 BGA 혼용 회로카드 조립체 제작 141
2. 유무연 혼용 사용 BGA 부품의 솔더 접합부 파괴 메커니즘 해석 155
제5장 국방분야 각 단계별 무연솔더 적용방안 170
제1절 민수분야 무연솔더 적용 가이드 라인 170
1. 무연부품의 도금 170
2. PCB의 용도 및 종류 171
3. PCB 표면처리 172
4. PCB 설계 179
5. 무연솔더(Pb-free Solder) 183
6. 무연 솔더링 공정 190
7. 부자재 관리기술 및 솔더링 재작업 197
제2절 국방분야 무연솔더 적용 제품의 접합신뢰성 검증을 위한 평가기준 선정 가이드 202
1. 개요 202
2. 제품 사용환경 분석 204
3. 환경시험 항목 도출 207
4. 솔더 접합부 분석 및 검증 208
5. 군용 통신장비(1종)에 대한 무연솔더 신뢰성 평가 방안 210
제6장 국방분야 무연솔더 적용방안 및 규격 통일화 방안 211
제1절 유연솔더 관련 규격 211
2. 유연솔더 규격 분석 결과 214
3. 유연솔더 규격 통일화 가능성 연구 217
제2절 무연솔더 적용 방안 227
1. 무연 부품의 관리 230
2. 휘스커 관리 235
제3절 규격 통일화 방안 240
제7장 국방분야 무연솔더 적용을 위한 정책·제도 241
제1절 무연솔더 적용을 위한 정책 방향 241
제2절 기술수준 및 기술 확보방안 242
제8장 연구성과 및 기대효과 244
제1절 목표 대비 연구실적 244
제2절 향후 활용방안 245
제3절 향후 연구추진 방향 246
제4절 향후 대응방안 247
제5절 연구결과의 활용 계획 248
제9장 참고문헌 250
부록 253
부록 1. 국방 전자장비에 대한 무연솔더 접합 신뢰성 평가기준(안) 253
부록 2. 현행 주석 휘스커 이론과 완화를 위한 실무 지침 270
표 1-1. 유럽연합의 환경규제 현황 22
표 1-2. ELV 추가된 예외조항 24
표 1-3. ELV 수정된 예외조항 25
표 1-4. ELV Annex II의 예외조항 25
표 1-5. RoHS 규제대상 분류 29
표 1-6. RoHS예외조항 31
표 1-7. 1차년도 연구내용 및 결과 44
표 1-8. 2차년도 연구대상 및 소요기술 45
표 2-1. 무연화 기술과 관련된 IPC 주요 기준 47
표 2-2. IPC-9701A에서 제시한 솔더 접합부 온도 사이클 평가기준 51
표 2-3. 무연화 기술과 관련된 IEC 주요 기준 52
표 2-4. 무연솔더 합금 조성에 따른 ISO, IEC 규격 내 번호 55
표 2-5. 무연솔더 공정온도에 따른 분류 56
표 2-6. 유·무연 솔더에 따른 솔더 젖음성 시험조건 비교 56
표 2-7. 유무연 솔더 종류에 따른 솔더젖음성, 내열성 시험조건 비교 57
표 2-8. IEC/PAS 62483 에 따른 휘스커 평가 방안 58
표 2-9. LEAP WG에서 발간된 무연 솔더 적용에 관한 각종 표준 및 가이드라인 62
표 2-10. Test Vehicle Assembly Details 63
표 2-11. Components Table 64
표 2-12. Test Vehicle Performance Requirement 66
표 2-13. Vibration Profile 68
표 2-14. Percentage of components Failed 69
표 2-15. Mechanical Shock Test Methodology - Test Procedure 71
표 2-16. Combined Environmental Test (CTE) Methodology 72
표 2-17. Number of Failed Components by Board Finish, Components, Component Finish and Solder Alloy on Manufactured Test Vehicle 73
표 2-18. Number of Failed Components by Board Finish, Components, Components Finish, Solder Alloy, New Components Finish and Rework Solder on Rework Test Vehicles 75
표 2-19. Thermal Cycling Test Methodology : -55℃ to 125℃ 77
표 2-20. Manufactured Test Vehicle Component Population Failure rate after 4068 Thermal Cycles 77
표 2-21. Reworked Test Vehicle Component Population Failure rate after 4068 Thermal Cycles 78
표 2-22. Drop Test Methodology 79
표 2-23. 일반적인 무연솔더 제조 87
표 2-24. 유연과 무연의 양립성 87
표 2-25. PCB 재료 선택 가이드 88
표 2-26. iNEMI의 휘스커 위험표 97
표 3-1. IDEALS 프로젝트 추진체계 100
표 3-2. IDEALS 프로젝트에서 검사한 합금 100
표 3-3. EU의 무연솔더 관련 프로젝트 101
표 3-4. IDEALS 시험내용 및 소요장비 102
표 3-5. 우주기에 대한 RoHS 규제 6 물질의 사용상황 조사결과 110
표 3-6. 스트레스 종류와 고장 메커니즘, 고장모드의 종류 120
표 3-7. 고장메커니즘과 시험방법 121
표 3-8. 가속모델의 예 122
표 3-9. 재료의 4가지 특성 123
표 3-10. 전자기기의 주요 사용 환경 125
표 3-11. 온도사이클 시험의 조건 126
표 3-12. 접합평가사례의 시험조건 126
표 3-13. 태양전지 모듈의 환경 스트레스와 고장 메커니즘 132
표 3-14. 태양전지 모듈의 시험조건 135
표 4-1. 국내 "A"사의 2006년 이후 등록된 Lead-Free 부품 비율 139
표 4-2. 혼용공정 최적공정 도출 프로세스 141
표 4-3. 시료 제작조건 및 수량 144
표 4-4. 솔더 페이스트 보관 기준 149
표 4-5. 크림 솔더 인쇄 기준 149
표 4-6. SMD 조립성 검사 150
표 4-7. 실험계획 155
표 4-8. 샘플정보 및 보드 외관 사진 157
표 4-9. 시험 샘플의 외관분석 결과 159
표 4-10. 열충격시험 전 샘플의 BGA 솔더 접합부 보이드 함유율 분석 결과 160
표 5-1. PCB의 재료와 특징에 따른 분류 172
표 5-2. PCB 표면처리별 특성 비교 175
표 5-3. 전기도금과 무전해 도금 비교 176
표 5-4. 인쇄공정 시험인자 190
표 5-5. 마스크 개구부 형태에 따른 인쇄성 191
표 5-6. 마스크 개구부 형태에 따른 솔더링성 192
표 5-7. 마스크 개구부 두께 및 형상에 따른 접합강도 결과 193
표 5-8. Various stress factors leaded to failure mode of electronic assemblies in use environment 206
표 5-9. Reliability test conditions based on failure mode and failure mechanism 208
표 6-1. 도면에 표현된 유연솔더 관련 규격 211
표 6-2. 무기 및 비무기체계 분류표 213
표 6-3. KDS 1410-0007, IPC-A-610E, J-STD-001E 규격 비교 217
표 6-4. 국방분야 주요장비 검토 결과 224
표 6-5. 부품선정 우선순위 230
표 6-6. 제조사별 휘스커 완화 대책 236
표 6-7. 위스커 완화대책 및 리스크 239
표 7-1. 무연솔더 기술수준 및 목표 242
표 7-2. 무연솔더 기술확보 방안 243
표 8-1. 연구실적 244
그림 1-1. 주요 확보목표 기술 41
그림 1-2. 연구개념도 43
그림 2-1. IPC 내 솔더링 관련 주요 문서체계 49
그림 2-2. IPC-610E 내 무연 솔더링 육안검사기준 50
그림 2-3. 와이어에 대한 주석 도금 56
그림 2-4. 온도 프로파일 57
그림 2-5. 무연솔더 적용에 따른 전자부품별 특성 60
그림 2-6. 무연전자부품 적용에 따른 심각성 및 대응 이력 61
그림 2-7. NASA-DoD Lead-Free Electronics Project test vehicle 65
그림 2-8. Vibration Spectrum 67
그림 2-9. Ranking of Solder Alloy / Component Finish Combinations 69
그림 2-10. Mechanical Shock SRS Test Levels 70
그림 2-11. Shock testing Relative Ranking (Solder alloy/Component Finish) 71
그림 2-12. Initial Combined Environmental Test Profile 72
그림 2-13. PERM 컨소시움의 역할분담도 81
그림 2-14. 맨하튼 프로젝트 진행사항 82
그림 2-15. 맨하튼 프로젝트의 각 phase간 관계 83
그림 2-16. 국방/항공분야 Pb-Free 적용을 위한 Roadmap 83
그림 2-17. PERM 컨소시움의 맨하튼 프로젝트의 목표 85
그림 2-18. 무연솔더 접합불량 89
그림 2-19. Sn-Ag-Cu계 무연솔더의 특징 90
그림 2-20. 침식된 웨이브 솔더조 90
그림 2-21. Sn 페스트 변태 과정 91
그림 2-22. S 리치 분위기에서의 각 보드 마감재의 비교 92
그림 2-23. tombstone의 예 92
그림 2-24. 유연솔더와 무연솔더의 솔더링 온도 및 융점 비교 93
그림 2-25. Sn-Pb 솔더/SAC 볼의 Reflow 중의 변화 94
그림 2-26. 공정 Sn-Pb-Ag-Cu 영역에서 발생한 수축 보이드 95
그림 2-27. 리드부품의 Pb 오염 95
그림 2-28. Head in Pillow의 사례 95
그림 3-1. 일본 민수분야 무연화 대응사례 103
그림 3-2. 무연의 정의 105
그림 3-3. 부품내열성 평가용 솔더링 온도 프로파일 106
그림 3-4. 커뮤니티 구성도 111
그림 3-5. 무연화 커뮤니티 구성과 활동내용 112
그림 3-6. Au, Pd 첨가 Sn-37Pb 합금의 인장시험 결과 113
그림 3-7. Au와 Pd의 함량에 따른 솔더/Cu 패드 계면의 변화 114
그림 3-8. 우주특유의 환경조건 115
그림 3-9. 500사이클 후의 Sn 휘스커 성장 거동 115
그림 3-10. 대기와 진공 중의 온도사이클에 의한 Sn 휘스커의 최장길이 116
그림 3-11. 신뢰성 기술 개발의 순서 119
그림 3-12. 고장모드에 따른 시험법의 분류 124
그림 3-13. 전기저항의 실시간 변화(a)와 전단강도 변화(b) 127
그림 3-14. 온도사이클 시험 후의 접합계면 128
그림 3-15. 다층 PWB의 CAF 저항 129
그림 3-16. 태양전지 모듈의 접속구조 131
그림 3-17. 고장현상으로부터 접근한 태양전지 모듈의 시험방법 134
그림 3-18. 열사이클 시험 중의 전기저항 변화 136
그림 3-19. 열사이클 시험 전·후의 전류-전압 특성 (I-V) 136
그림 3-20. 열사이클 시험 후의 태양전지 모듈의 고장부위 137
그림 3-21. 고장부위의 단면조직 137
그림 4-1. 시제품 제작보드 형상 143
그림 4-2. 온도 프로파일 설정 작업 145
그림 4-3. 혼용보드 온도 프로파일 설정기준 146
그림 4-4. 샘플보드 온도 프로파일(235℃) 146
그림 4-5. 샘플보드 온도 프로파일(245℃) 147
그림 4-6. 제작 공정별 실장 PROCESS 148
그림 4-7. 샘플보드 시험 공정도 150
그림 4-8. 회로카드조립체 성능시험 151
그림 4-9. 전기적 성능시험 152
그림 4-10. 온도시험 프로파일 및 시험모습 153
그림 4-11. 열충격시험 프로파일 및 시험모습 154
그림 4-12. 유무연 혼재적용 제품의 계면열화 분석 실험 절차 155
그림 4-13. 제작된 유무연 솔더 혼재적용 보드 사진 156
그림 4-14. 패키지 패드 균열발생 161
그림 4-15. MT - 1 : 비교분석용 Middle Tg PCB, Peak 235C, Dummy BGA 163
그림 4-16. MT - 4 : SAC305 Re-Balling 샘플의 TC 500 Cycles 후 SEM 사진 163
그림 4-17. MT - 9 : Middle Tg PCB, Peak T＝245℃샘플의 TC 500 Cycles 후 SEM 사진 163
그림 4-18. HT - 4 : High Tg PCB, Peak T＝235 C 샘플의 TC 500 Cycles 후 SEM 사진 164
그림 4-19. HT - 6 : High Tg PCB, Peak T＝220 C 현 공정 적용 샘플 164
그림 4-20. HT - 10 : High Tg PCB, Peak T＝245 C 샘플의 TC 500 Cycles 후 SEM 사진 164
그림 4-21. MT - 1 : 비교분석용 Middle Tg PCB, Peak 235C, Dummy BGA 165
그림 4-22. MT - 4 : SAC305 Re-Balling 샘플의 TC 500 Cycles 후 SEM 사진 165
그림 4-23. MT - 9 : Middle Tg PCB, Peak T＝245℃샘플의 TC 500 Cycles 후 SEM 사진 166
그림 4-24. HT - 4 : High Tg PCB, Peak T＝235 C 샘플의 TC 500 Cycles 후 SEM 사진 166
그림 4-25. HT - 6 : High Tg PCB, Peak T＝220 C 현 공정 적용 샘플SEM 사진 167
그림 4-26. HT - 10 : High Tg PCB, Peak T＝245 C 샘플의 TC 500 Cycles 후 SEM 사진 168
그림 5-1. 칩부품 전극부의 무연도금 170
그림 5-2. 열충격 시험 후의 솔더링 접합부 크랙 현상 171
그림 5-3. 위스커 현상(좌)과 리프트 오프 현상 171
그림 5-4. PCB 표면처리의 종류 173
그림 5-5. 대표적 PCB 표면처리의 특징 175
그림 5-6. Electromotive force series 177
그림 5-7. OSP 처리 기판의 meniscograph 178
그림 5-8. IPC 규격에서 제시하는 Chip-capacitor 패턴 설계방안 180
그림 5-9. IPC 규격에서 제시하는 Chip-Inductor 패턴 설계방안 180
그림 5-10. IPC 규격에서 제시하는 Chip-tantal 패턴 설계방안 181
그림 5-11. IPC 규격에서 제시하는 QFP 패턴 설계방안 181
그림 5-12. IPC 규격에서 제시하는 SOP 패턴 설계방안 182
그림 5-13. BGA 패턴 설계방안 182
그림 5-14. 중고온계 무연솔더 조성 184
그림 5-15. Sn-Ag 합금 상태도 185
그림 5-16. Sn-Bi 합금 상태도 185
그림 5-17. Sn-Zn 합금 상태도 186
그림 5-18. Sn-Zn 합금의 단면조직 186
그림 5-19. Sn-Cu 합금 상태도 187
그림 5-20. 접합강도 측정 모식도와 Shear strength 측정 모습 187
그림 5-21. SAC305 솔더의 열충격 온도별 접합강도 결과 188
그림 5-22. 열충격에 따른 금속간화합물 변화 190
그림 5-23. 마스크 개구부 조건별 인쇄성 결과 그래프 191
그림 5-24. 접합강도 시험 모식도 193
그림 5-25. Reflow temperature profile(SAC305) 194
그림 5-26. 열충격 및 항온항습 챔버내 시편장입 사진 195
그림 5-27. 열충격 및 항온항습 시험 후 X-Ray 이미지 195
그림 5-28. 솔더링 단면 SEM 이미지 195
그림 5-29. Flow temperature profile(SAC305) 196
그림 5-30. 솔더 브릿지 방지를 위한 플로우용 PCB 부품배치 방안(IPC-2221) 197
그림 5-31. 플로우 솔더링 공정불량 개선을 위한 PCB 설계 방안 197
그림 5-32. 솔더페이스트 인쇄용 메탈마스크 설계기준 198
그림 5-33. 메탈마스크 개구부의 Area Ratio 198
그림 5-34. PCB투입 및 관리방법 199
그림 5-35. 솔더페이스트 관리방법 199
그림 5-36. 솔더페이스트 수동교반 확인방법 200
그림 5-37. 인두팁 위치에 따른 불량사례 200
그림 5-38. 인두 재작업의 불량사례 201
그림 5-39. Relationship between environmental stress condition and test method of Pb-free solder joint 203
그림 5-40. Identification of failure mode and mechanism for Pb-free solder joints 206
그림 5-41. 단면분석을 위한 시편준비 및 분석 사례 209
그림 5-42. X-선 비파괴검사 결과 사진 210
그림 5-43. 솔더 접합부 금속간화합물 형성 분석사진 210
그림 6-1. 무기체계별 유연솔더 관련규격 참조 현황 214
그림 6-2. 감시정찰분야 유연솔더 관련규격 참조 현황 214
그림 6-3. 기동분야 유연솔더 관련규격 참조 현황 215
그림 6-4. 정밀타격방공유도분야 유연솔더 관련규격 참조 현황 215
그림 6-5. 지휘통제통신분야 유연솔더 관련규격 참조 현황 215
그림 6-6. 화력분야 유연솔더 관련규격 참조 현황 216
그림 6-7. 적용규격의 변천 226
그림 6-8. 국방분야 무연화 추진에 따른 영향성 228
그림 6-9. 제조공정에 따른 무연납 관리요소 228
그림 6-10. PCB도금 229
그림 6-11. PCB 재질 229
그림 6-12. Lead-Free 심볼 사례 231
그림 6-13. Lead-Free 부품정보 등록 사례 232
그림 6-14. 제조 공정상 Lead-Free 부품 식별 절차 사례 233
그림 6-15. 부품정보 시스템의 MSD 부품 관리 사례 234
그림 6-16. 부품선정 및 Whisker Mitigation 절차 238
