KR20040075398A - Miniaturized shear-punch tester and evaluating method of shear strength and shear strain for solder joint - Google Patents

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KR20040075398A
KR20040075398A KR1020030010858A KR20030010858A KR20040075398A KR 20040075398 A KR20040075398 A KR 20040075398A KR 1020030010858 A KR1020030010858 A KR 1020030010858A KR 20030010858 A KR20030010858 A KR 20030010858A KR 20040075398 A KR20040075398 A KR 20040075398A
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유효선
이송인
권일현
백승세
정영훈
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김왕중
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Abstract

PURPOSE: A miniaturized shear-punch tester and a method for evaluating the shear strength and the shear strain for a solder joint are provided to allow a micro-reliability estimation such as sheer strength and sheer strength for a solder joint of electronic parts and to prevent moment from occurring when a sheer change of a conventional single lap shear specimen happens. CONSTITUTION: A miniaturized sheer-punch tester includes a shear-punch tester jig, a load cell(14), a furnace device(5), a reduction gear(15), a linear variable differential transducer, a vacuum device(6), a cooling device, and a control device. An upper die(2) of the shear-punch tester jig and a lower die(3) of the shear-punch tester jig fix a specimen of the solder joint to an upper part of the body. The furnace device(5) surrounds the shear-punch tester jig and heats the surroundings. The load cell(14) is used for measuring a load exerting on the specimen.

Description

미소 전단-펀치 시험기 및 솔더 접합부의 전단강도와 전단변형률 평가 방법 {MINIATURIZED SHEAR-PUNCH TESTER AND EVALUATING METHOD OF SHEAR STRENGTH AND SHEAR STRAIN FOR SOLDER JOINT}MINIATURIZED SHEAR-PUNCH TESTER AND EVALUATING METHOD OF SHEAR STRENGTH AND SHEAR STRAIN FOR SOLDER JOINT}

본 발명은 미소 전단-펀치시험편을 이용하여 솔더 접합부의 기계적 특성치인 전단강도(Shear Strength)와 전단변형률(Shear Strain)을 마이크로적으로 평가하기 위해 개발된 시험기와 평가 방법의 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a technique of a tester and an evaluation method developed to evaluate microscopically the shear strength and shear strain, which are mechanical properties of solder joints, using a micro shear-punch test piece.

솔더링(Soldering)은 두 고체를 접합하는 방법 중 용융상태의 재료 즉, 솔더를 이용하는 방법을 말하며, 전기ㆍ전자ㆍ통신기기의 PCB(Printed Circuit Board) 기판과 소자(Device)의 접속 및 반도체와 전자부품의 접합공정에 있어 매우 중요한 패키징(Packaging) 핵심기술이다. 그러나 전기ㆍ전자 장비가 가동 중 상태에서 작동온도 범위가 최고 150℃에 도달하게 되고, 이에 전자 부품과 기판 사이의 서로 다른 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion : CTE)의 차이에 기인하여 솔더접합부에는 열응력(Thermal Stress)에 의한 전단응력(Shear Stress)이 발생하게 된다. 결국, 이러한 전단응력 성분에 의해 솔더 접합부의 단선과 함께 전체 전자부품의 시스템 불량을 유발하게 된다. 따라서 전단변형 조건하에서 솔더 접합부에 대한 전단강도(Shear Strength)와 전단변형률(Shear Strain)의 평가는 솔더 접합부의 신뢰성 확보 측면에서 매우 중요한 문제이다.Soldering refers to a method of joining two solids, using a material in a molten state, that is, a solder. The connection between a printed circuit board (PCB) board and a device and the semiconductor and electronic It is a key packaging technology that is very important in the joining process of parts. However, when the electrical and electronic equipment is in operation, the operating temperature range reaches a maximum of 150 ° C. Therefore, due to the difference in the coefficient of thermal expansion (CTE) between the electronic component and the substrate, the solder joint is heated. Shear Stress due to Thermal Stress is generated. As a result, the shear stress component causes disconnection of the solder joint and causes system failure of the entire electronic component. Therefore, the evaluation of shear strength and shear strain on solder joints under shear strain conditions is a very important issue in securing reliability of solder joints.

현재 솔더 접합부에 대한 전단강도의 평가방법은 약 50×10×1tmm의 크기를 갖는 두 개의 Cu 판(Plate)을 이용해 솔더 접합부분이 두께 1mm, 길이 10mm 되게끔 제작된 싱글 랩 전단 시험편(Single Lap Shear Specimen)과 같은 대형의 시험편을 이용하여 평가되고 있다. 그러나 이 같은 싱글 랩(Single Lap) 형태의 시험편은 전단 변형시 솔더 접합부 부분에 회전모멘트가 발생하여 솔더가 전단변형외의 변형을 하게 되므로 완전한 전단변형에 의한 기계적 특성 값을 얻을 수 없다. 또한 수십~수백 ㎛ 크기인 실제 전자부품의 미세 솔더 접합부의 크기와 비교해 볼 때 시험편의 크기가 상대적으로 크기 때문에 시험편의 사이즈 효과(Size Effct)의 영향이 존재하게 되어 보다 정확한 미세 솔더 접합부의 전단강도 평가에 어려움이 있다.Currently, the method of evaluating the shear strength of solder joints is a single-lap shear test piece that is made so that the solder joint is 1mm thick and 10mm long by using two Cu plates having a size of about 50 × 10 × 1 t mm. Large specimens, such as Lap Shear Specimen) are evaluated. However, such a single lap specimen has a rotational moment in the solder joint during shear deformation, so that the solder deforms other than the shear deformation. Therefore, mechanical properties due to complete shear deformation cannot be obtained. In addition, the size of the test piece is relatively large compared to the size of the micro solder joint of the actual electronic component, which is several tens to hundreds of micrometers in size, and thus the size effect of the test piece is present, so that the shear strength of the fine solder joint is more accurate. Difficulties in evaluation

상기와 같은 문제점 및 배경으로부터 본 발명은 지금까지 적용되지 않은 솔더 합금(Solder Alloy)으로 채워진 직경 2.4mm(혹은 3.2mm)의 구멍(Hole)을 포함한 크기가 10×10×0.5tmm인 미소 전단-펀치 시험편(Miniaturized Shear-Punch Specimen)을 이용하여 솔더 접합부(Solder Joint)의 전단강도(Shear Strength)와 전단변형률(Shear Strain) 특성을 평가하는 새로운 미소 전단-펀치 시험기의 개발과 함께 평가 방법을 제공하고자 한다.From the above problems and background, the present invention is a micro shear having a size of 10 × 10 × 0.5 t mm including a hole having a diameter of 2.4 mm (or 3.2 mm) filled with a solder alloy that has not been applied until now. -An evaluation method was developed along with the development of a new micro shear-punch tester to evaluate the shear strength and shear strain characteristics of solder joints using a punched specimen (Miniaturized Shear-Punch Specimen). To provide.

이러한 본 발명은 다양한 종류의 솔더합금 및 접합조건에 따른 솔더 접합부 (Solder Joint)의 전단강도(Shear Strength) 및 전단변형률(Shear Strain) 특성을 매우 작은 미소시험편에 의해 평가 가능하게 하는 매우 유용한 시험방법일 것이다.The present invention is a very useful test method that makes it possible to evaluate the shear strength and shear strain characteristics of solder joints according to various kinds of solder alloys and bonding conditions with very small micro test pieces. would.

도 1은 본 발명에서 개발한 미소 전단-펀치 시험기 개략도,1 is a schematic view of a micro shear-punch tester developed in the present invention,

도 2는 본 발명의 실시 예에 사용된 전단-펀치 시험편의 체결 부위에 대한 상세 개략도,Figure 2 is a detailed schematic diagram of the fastening site of the shear-punch test piece used in the embodiment of the present invention,

도 3은 온도 접30℃에서 전단-펀치시험에 의해 얻은 Sn-37Pb 솔더 접합부의 전단응력-전단변형률 곡선 거동을 나타낸 그래프 도,3 is a graph showing the shear stress-shear strain curve behavior of a Sn-37Pb solder joint obtained by a shear-punch test at a temperature junction of 30 ° C.

도 4는 온도 50℃에서 전단-펀치시험에 의해 얻은 Sn-37Pb 솔더 합부의 전단응력-전단변형률 곡선 거동을 나타낸 그래프 도,4 is a graph showing the shear stress-shear strain curve behavior of a Sn-37Pb solder joint obtained by a shear-punch test at a temperature of 50 ° C.

도 5는 온도 30℃에서 전단-펀치시험에 의해 얻은 Sn-4Ag-0.5Cu 솔더 접합부의 전단응력-전단변형률 곡선 거동을 나타낸 그래프 도,5 is a graph showing the shear stress-shear strain curve behavior of a Sn-4Ag-0.5Cu solder joint obtained by a shear-punch test at a temperature of 30 ° C.

도 6은 온도 50℃에서 전단-펀치시험에 의해 얻은 Sn-4Ag-0.5Cu 솔더 접합부의 전단응력-전단변형률 곡선 거동을 나타낸 그래프 도,6 is a graph showing the shear stress-shear strain curve behavior of a Sn-4Ag-0.5Cu solder joint obtained by a shear-punch test at a temperature of 50 ° C.

도 7은 온도 30℃에서 솔더 합금 종류에 따른 최대전단강도를 리플로 시간에 따라 나타낸 막대 그래프 도,7 is a bar graph showing the maximum shear strength according to the reflow time according to the solder alloy type at a temperature of 30 ℃,

도 8은 온도 50℃에서 솔더 합금 종류에 따른 최대전단강도를 리플로 시간에따라 나타낸 막대 그래프 도이다.8 is a bar graph showing the maximum shear strength according to the reflow time according to the solder alloy type at a temperature of 50 ℃.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>

1 : 솔더 접합부 시험편 2 : 전단-펀치 지그의 상부다이1: solder joint test piece 2: upper die of shear-punch jig

3 : 전단-펀치 지그의 하부다이 4 : 스테인레스 관3: bottom die of shear-punch jig 4: stainless steel tube

5 : 가열로 6 : 진공펌프5: heating furnace 6: vacuum pump

7 : 불활성가스(Ar) 입구 8 : 불활성가스(Ar) 토출구7: Inert gas (Ar) inlet 8: Inert gas (Ar) discharge port

9 : 냉각수 순환펌프 10 : 냉각수 입구9: cooling water circulation pump 10: cooling water inlet

11 : 냉각수 토출구 12 : 모터11: cooling water discharge port 12: motor

13 : 감속기어 14 : 로드셀13: reduction gear 14: load cell

15 : 시험편 온도센서 16 : 가열로 온도센서15: test piece temperature sensor 16: heating furnace temperature sensor

17 : 미소변위 측정장치 18 : 제어장치 및 데이터 획득17: micro displacement measuring device 18: control device and data acquisition

시스템과의 연결선Connection line with the system

19 : 펀처19: Puncher

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 먼저 미소 전단-펀치 시험기를 자체 설계하여 제작 구성한다. 그리고 전자부품 소재(Cu, Ni)와 솔더 합금 (Solder Alloy)으로 구성된 박판 두께(0.5mm)를 갖는 미소시험편을 이용한 전단-펀치시험기를 사용하여 상온∼120℃ 온도 환경하에서 솔더 접합부(Solder Joint)에 대한 전단강도(Shear Strength) 및 전단변형률(Shear Strain)의 특성 평가 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is first designed and fabricated by the self shearing punch tester. And using a shear-punch tester using a micro test piece having a thin plate thickness (0.5mm) consisting of electronic component material (Cu, Ni) and solder alloy (Solder Joint) in a room temperature ~ 120 ℃ temperature environment (Solder Joint) It provides a method for evaluating the properties of shear strength and shear strain for.

도 1은 본 발명에서 개발한 미소 전단-펀치 시험기의 전체적인 개략도를, 도 2는 미소 솔더 접합부 시험편의 체결부위에 대한 상세 개략도를 나타낸 것이다.1 is a schematic view of the overall micro-shear-punch tester developed in the present invention, Figure 2 shows a detailed schematic diagram of the fastening portion of the micro-solder joint test piece.

이하, 본 발명에서 제안하고자 하는 미소 전단-펀치 시험기의 구성과 전단변형 특성 평가 방법의 공정을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the configuration of the micro shear-punch tester proposed in the present invention and the process of the shear deformation characteristic evaluation method will be described in more detail.

[미소 전단-펀치 시험기의 구성][Configuration of Microscopic Shear-Punch Tester]

전자부품의 솔더 접합부에 대한 전단강도(Shear Strength) 및 전단변형률 (Shear Strain) 특성을 평가하는 미소 전단-펀치 시험기에 있어서,In the micro shear-punch tester for evaluating the shear strength and shear strain characteristics of the solder joint of the electronic component,

① 본체의 상부에 위치하며 솔더 접합부 시험편(1)을 고정하는 전단-펀치 지그의 상부다이(2) 및 하부다이(3)와① the upper die (2) and the lower die (3) of the shear-punch jig, which is located on the upper part of the main body and fixes the solder joint test piece (1);

② 상기 전단-펀치 지그(2, 3)의 주위를 둘러싸고, 밀폐 가능한 스테인리스 관(4) 및 그 주위를 일정 시험온도까지 가열시킬 수 있는 시험편 가열로(5)와(2) a specimen heating furnace (5) surrounding the shear-punch jig (2, 3) and capable of heating the sealable stainless steel tube (4) and the surroundings to a predetermined test temperature;

③ 상기 시험편(1)의 고온 산화를 방지하기 위해 스테인리스 관(4)내로 연결된 진공펌프(6)와 불활성가스(Ar) 주입강관(7) 및 토출강관(8)과③ In order to prevent the high temperature oxidation of the test piece (1) and the vacuum pump (6) and inert gas (Ar) injection steel pipe (7) and discharge steel pipe (8) connected into the stainless steel pipe (4) and

④ 상기 가열로(5) 하부의 시험장치 보호를 위해 관으로 연결된 냉각수 순환펌프(9)와 냉각수 주입관(10) 및 토출관(11)과④ The cooling water circulation pump 9, the cooling water injection pipe 10, and the discharge pipe 11 connected to the pipe to protect the test device under the heating furnace 5 and

⑤ 본체의 상부에 위치하며 상기 전단-펀치 지그의 상부다이(2)와 하부다이 (3) 사이에 고정된 시험편(1)에 일정 변위속도로 직접 하중을 부여하기 위한 모터 (12) 및 감속기어(13)와⑤ a motor 12 and a reduction gear for directly applying a load at a constant displacement rate to a test piece 1 positioned at an upper portion of the main body and fixed between the upper die 2 and the lower die 3 of the shear-punch jig; With 13

⑥ 시험편에 가해지는 하중을 측정하기 위한 로드셀(14)과⑥ Load cell 14 for measuring the load on the test piece

⑦ 상기 시험편(1)의 온도를 감지하는 온도센서(15)와⑦ and the temperature sensor 15 for detecting the temperature of the test piece (1)

⑧ 상기 가열로(5)의 온도를 감지하는 온도센서(16)와⑧ and the temperature sensor 16 for detecting the temperature of the heating furnace (5)

⑨ 상기 시험편(1)의 미소 변위를 측정하기 위해 펀처(20)와 연결되어 있는미소변위 측정장치(17)와⑨ microdisplacement measuring device (17) connected to the puncher 20 to measure the micro displacement of the test piece (1) and

⑩ 상기의 하중과 미소변위를 저장하기 위해 컴퓨터로 연결된 연결선(18)으로으로 with a computer-connected connection line 18 to store the above loads and microdisplacements

구성된 것을 특정으로 하는 미소 전단-펀치 시험기Micro Shear-Punch Testing Machine

[미소 전단-펀치 시험기 중 시험편 체결부위에 대한 지그장치 구성][Configuration of Jig Device for Test Piece Fastening Part of Micro Shear-Punch Tester]

상기 전단-펀치 지그는The shear-punch jig

① 시험편(1)을 올려놓을 수 있는 일정 크기의 공간을 가진 하부다이(3)와① The lower die (3) having a certain size space to put the test piece (1) and

② 상기 하부다이(3) 위에 위치한 일정 크기를 가진 상부다이(2)와② the upper die (2) having a predetermined size located on the lower die (3) and

③ 상기 상부다이(2)의 구멍을 통해 시험편의 솔더 합금 상부를 누르는 펀처 (19)로 구성된 것을 특징으로 하는 미소 전단-펀치 시험기(3) a micro shear-punch tester, characterized in that it consists of a puncher 19 which presses the upper portion of the solder alloy of the test piece through the hole of the upper die 2;

[미소 전단-펀치 시험기를 이용한 솔더 접합부의 전단강도와 전단변형률 특성 평가 방법][Method for Evaluating Shear Strength and Shear Strain Characteristics of Solder Joints Using a Micro Shear-Punch Tester]

① 전단-펀치 지그의 하부다이(3)에2.4mm(혹은3.2mm)의 구멍에 솔더로 채워진 10×10×0.5tmm 크기를 갖는 박판형 시험편(1)을 놓고, 그 위에 상부다이 (2)를 놓고 상부다이의 구멍에2.0mm(혹은2.8mm)의 펀처(19)를 장착하는 공정과① On the lower die (3) of the shear-punch jig 2.4 mm (or Place a 10 x 10 x 0.5 t mm sized thin specimen (1) filled with solder in a hole of 3.2 mm), place an upper die (2) on it, 2.0 mm (or 2.8mm) puncher 19 and

② 상기 전단-펀치 지그를 스테인리스 관(4) 및 다수의 볼트와 너트 그리고 오일링(Oil Ring)을 이용하여 밀폐시키는 공정과(2) sealing the shear-punch jig using a stainless steel pipe (4), a plurality of bolts and nuts, and an oil ring;

③ 진공펌프(6)로 가열로 내를 30분동안 진공처리하고 그 후 불활성가스(Ar)용기로부터 주입강관(7)을 통해 불활성가스(Ar)를 1.0으로 주입하는 공정과③ Vacuum the inside of the furnace for 30 minutes with the vacuum pump (6), and then inert gas (Ar) from the inert gas (Ar) container through the injection steel pipe (7) 1.0 Injecting into the

④ 상온∼120℃의 온도범위에서 일정 시험온도로 가열로(5)의 온도를 올리는 공정 및 전단-펀치 시험을 수행하기 전 시험온도에서 ±1℃의 오차범위로 약 10분동안 유지하는 공정과④ the process of raising the temperature of the furnace 5 to a certain test temperature in the temperature range of room temperature to 120 ° C. and maintaining it for about 10 minutes at an error range of ± 1 ° C. at the test temperature before performing the shear-punch test;

⑤ 모터(12)와 감속기어(13)를 이용하여 0.2mm/min의 일정 변위속도로 펀처 (19)를 솔더 접합부 시험편을 향하여 이동시키는 공정과⑤ The process of moving the puncher 19 toward the solder joint test piece at a constant displacement speed of 0.2 mm / min using the motor 12 and the reduction gear 13;

⑥ 로드셀(14)을 이용하여 하중(P)를 측정하고, 미소변위 측정장치(17)를 통해 시험편의 중앙변위(δ)를 1㎛까지 측정하는 공정과⑥ measuring the load P using the load cell 14, and measuring the center displacement δ of the test piece to 1 μm through the microdisplacement measuring device 17;

⑦ 상기 측정된 중앙변위(δ)를 솔더 접합부의 길이로 나눠 얻어진 전단변형률()로 변환하는 공정과⑦ shear strain obtained by dividing the measured median displacement δ by the length of the solder joint ( Conversion process

⑧ 상기 측정된 하중(P)을 솔더 접합부의 면적으로 나눠 얻어진 전단응력(τ)으로 변환하는 공정과⑧ converting the measured load (P) into shear stress (τ) obtained by dividing the area of the solder joint;

⑨ 상기 전단 응력(τ)을 상기 전단변형률()에 대응하여 전단응력-전단변형률 곡선을 구성하는 공정과⑨ wherein the shear stress τ is determined by the shear strain ) And the shear stress-shear strain curve

⑩ 상기 전단응력-전단변형률 곡선에서 최대전단강도( τmax), 최대전단변형률( max),을 구하는 공정과최대 the maximum shear strength (τ max ) and the maximum shear strain ( max ), and

⑪ 시험온도( T)에 따른 상기 최대전단강도(τmax)의 거동을 확인하는 공정과공정 a process for checking the behavior of the maximum shear strength (τ max ) according to the test temperature (T) and

⑫ 시험온도( T)에 따른 상기 최대전단변형률( max)의 거동을 확인하는 공정과상기 the maximum shear strain according to the test temperature (T) the process of checking the behavior of max )

⑬ 리플로 온도( TR)에 따른 상기 최대전단강도(τmax)의 거동을 확인하는 공정과공정 confirming the behavior of the maximum shear strength (τ max ) according to the reflow temperature (T R );

⑭ 리플로 온도( TR)에 따른 상기 최대전단변형률( max)의 거동을 확인하는 공정과상기 the maximum shear strain according to the reflow temperature (T R ) the process of checking the behavior of max )

⑮ 솔더 종류에 따른 상기 최대전단강도(τmax)의 거동을 확인하는 공정과공정 a process for checking the behavior of the maximum shear strength (τ max ) according to the type of solder and

솔더 종류에 따른 상기 최대전단변형률( max)의 거동을 확인하는 공정으로 Maximum shear strain according to solder type ( to confirm the behavior of max )

이루어진 것을 특징으로 하는 미소 전단-펀치 특성 평가 방법Micro shear-punch characteristic evaluation method, characterized in that made

이하에서는 상기의 소형펀치-크리프 시험기와 시험평가 방법을 이용한 실시 예와 관련하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the embodiment using the small punch-creep tester and the test evaluation method.

본 예에 사용된 재료는 Pb-free 솔더 합금(Lead-free Solder Alloy)과 비교 평가를 위해 현재 전기ㆍ전자 부품의 솔더 재료로 널리 사용되는 Sn-37Pb 합금이다.The material used in this example is Sn-37Pb alloy which is widely used as solder material of electric and electronic parts for comparative evaluation with Pb-free solder alloy.

이 들 합금의 융점(M.P)과 응고온도 범위(ΔT)는 아래 표 1과 같다.The melting point (M.P) and solidification temperature range (ΔT) of these alloys are shown in Table 1 below.

표 1Table 1

전단-펀치 시험에 사용되는 솔더 접합부 시험편(1)은 크기 10×10×0.5tmm이며, 10sec∼300sec의 다양한 리플로 시간(Reflow Time) 조건으로 제작한다. 솔더 접합부의 전단-펀치 시험온도는 30℃와 50℃로 하며, 가열로(5)의 오차범위는 ±1℃ 범위로 한다. 하중 부하를 위한 일정 변위속도는 0.2mm/min으로 한다. 시험도중 시험편의 중앙변위(Central Displacement : δ)는 미소변위 측정장치(17)를 이용하여 최소 1㎛까지 정밀 계측한다. 또한 시험중 미소시험편의 고온 산화에 따른 시험결과의 오차를 제거하기 위해 불활성가스 용기의 공급장치(7)를 이용한 아르곤(Ar) 분위기에서 전단시험을 실시한다.The solder joint test piece 1 used for the shear-punch test is 10 × 10 × 0.5 t mm in size and manufactured under various reflow time conditions of 10sec to 300sec. The shear-punch test temperature of the solder joint is 30 ° C and 50 ° C, and the error range of the furnace 5 is ± 1 ° C. The constant displacement velocity for the load is 0.2mm / min. During the test, the central displacement (δ) of the test piece is precisely measured to a minimum of 1 μm using a microdisplacement measuring device (17). In addition, a shear test is carried out in an argon (Ar) atmosphere using a feeder (7) of an inert gas container to eliminate errors in the test results due to high temperature oxidation of the micro test pieces during the test.

본 발명에서는 이상과 같이 자체적으로 설계 제작한 미소 전단-펀치 시험기와 미소시험편을 이용한 미소 전단-펀치 시험에 의한 솔더 접합부(Solder Joint)의 전단강도(Shear Strength)와 전단변형률(Shear Strain) 특성 평가방법을 제안하고자 한다.In the present invention, the shear strength and shear strain characteristics of the solder joint are evaluated by a micro shear-punch tester and a micro shear test using a micro test piece. I would like to suggest a method.

실시예 1< Example 1 >

도 3과 도 4는 30℃와 50℃에서 미소 전단-펀치 시험기를 사용하여 얻은 다양한 리플로 시간(Reflow Time)에 따른 구리(Cu)와 Sn-37Pb 솔더 접합부 시험편의 전단응력-전단변형률 곡선(Shear Stress-Shear Strain Curve)을 나타낸 그림이다.3 and 4 are shear stress-shear strain curves of copper (Cu) and Sn-37Pb solder joint specimens according to various reflow times obtained using a micro shear-punch tester at 30 ° C and 50 ° C. This figure shows the Shear Stress-Shear Strain Curve.

전단-펀치 응력-변형률 곡선의 전체적인 변형거동은 시험온도 및 리플로 시간(Reflow Time)에 따라 변화되고 있음을 알 수 있다. 특히, 시험온도가 증가됨에 따라 응력-변형률 곡선 거동은 크게 감소되고 있음을 관찰할 수가 있다.It can be seen that the overall strain behavior of the shear-punch stress-strain curve is changing with test temperature and reflow time. In particular, it can be observed that the stress-strain curve behavior decreases significantly with increasing test temperature.

실시예 2< Example 2 >

도 5와 도 6은 30℃와 50℃에서 미소 전단-펀치 시험기를 사용하여 얻은 구리(Cu)와 Sn-4Ag-0.5Cu 솔더 접합부 시험편의 전단응력-전단변형률 곡선(Shear Stress-Shear Strain Curve)을 나타낸 그림이다.5 and 6 are shear stress-shear strain curves of copper (Cu) and Sn-4Ag-0.5Cu solder joint specimens obtained using a micro shear-punch tester at 30 ° C and 50 ° C. The figure shows.

이 경우에서는 전단-펀치 응력-변형률 곡선의 전체적인 변형거동은 각 시험온도 조건에서 리플로 시간(Reflow Time)에 따라 뚜렷한 차이를 보이고 있지 않다. 그러나 시험온도의 증가에 따른 응력-변형률 곡선 거동은 앞의 실시 예와 같이 뚜렷하게 감소되고 있음을 관찰할 수가 있다.In this case, the overall strain behavior of the shear-punch stress-strain curve does not show any significant difference with the reflow time at each test temperature. However, it can be observed that the stress-strain curve behavior with the increase of the test temperature is clearly reduced as in the previous embodiment.

이상과 같은 실시 예를 통해 본 발명에서 개발한 미소 전단-펀치 시험기 및 시험방법을 사용하여 솔더 합금 접합부에 대한 명확한 전단응력(Shear Stress)-전단변형률(Shear-Strain) 곡선을 얻을 수 있음을 알 수 있다.Through the above examples, it can be seen that a clear shear stress-shear-strain curve for the solder alloy joint can be obtained using the micro shear-punch tester and test method developed in the present invention. Can be.

실시예 3< Example 3 >

도 7과 도 8은 30℃와 50℃에서 얻은 3 종류의 솔더 접합부 시험편의 최대전단강도(Maximum Shear Strength : τmax) 특성을 나타낸 결과이다. 먼저 50℃경우에 솔더 접합부의 최대전단강도(τmax)는 모든 솔더 합금의 30℃의 경우와 비교해 약 20∼30% 정도의 감소를 보였다. Pb-free 솔더 합금 중 Sn-4Ag의 솔더는 전반적으로 30℃와 50℃에서 리플로 시간(Reflow Time)이 증가됨에 따라 최대전단강도(τmax)가 증가하고 있는 반면, Sn-4Ag-0.5Cu 솔더의 경우는 리플로 시간(Reflow Time)에 따라 큰 차이를 보이지 않았다. 전반적으로 불 때 Pb-free 솔더는 공정 Sn-37Pb 솔더보다 우수한 접합강도를 보였는데, 이는 접합 계면부에서 형성된 Cu6Sn5와 같은 금속간화합물(Intermetallic Compound)에 의한 결과로 사료된다. 이같은 미소 전단-펀치 시험 결과로부터 세 종류의 합금 종 Sn-4Ag-0.5Cu 솔더 접합부가 가장 우수한 전단강도 특성을 보임을 알 수 있다.7 and 8 are results showing the maximum shear strength (τ max ) characteristics of the three kinds of solder joint test pieces obtained at 30 ℃ and 50 ℃. First, the maximum shear strength (τ max ) of the solder joint at 50 ° C was reduced by about 20-30% compared to the 30 ° C of all solder alloys. Sn-4Ag solders in Pb-free solder alloys generally increase the maximum shear strength (τ max ) as the reflow time increases at 30 ℃ and 50 ℃, while Sn-4Ag-0.5Cu Solder did not show a big difference according to the reflow time. Overall, Pb-free solders showed better bond strength than eutectic Sn-37Pb solders, which may be the result of intermetallic compounds such as Cu 6 Sn 5 formed at the joint interface. The micro shear-punch test results show that the three alloy species Sn-4Ag-0.5Cu solder joints exhibit the best shear strength properties.

본 발명에서 얻은 이상과 같은 시험결과 즉, 전단응력-전단변형률 곡선 (Shear Stress-Shear Strain Curve) 거동과 최대 전단강도(Maximum Shear Strength : τmax) 등의 결과로부터 미소 솔더 접합부 시험편을 이용한 미소 전단-펀치(Shear -Punch)시험기 및 평가 방법은 솔더 합금 종류 및 솔더링 조건에 따른 접합부 계면에서의 전단강도 특성 평가를 위한 새로운 시험기 및 평가 방법으로 적용 가능함을 알 수 있다.Micro shear using the micro solder joint test piece from the results of the above test results, that is, the shear stress-shear strain curve behavior and the maximum shear strength (τ max ). -The shear-punch tester and evaluation method can be applied as a new tester and evaluation method for evaluating the shear strength characteristics at the interface of the junction according to the solder alloy type and the soldering conditions.

상기와 같은 본 발명, 즉 미소시험편을 이용한 미소 전단-펀치 시험기와 평가방법은 다양한 전자부품 기지재료 및 솔더 합금의 종류 그리고 솔더링 조건에 따라 전자부품의 솔더 접합부에 대한 전단강도(Shear Strength) 및 전단변형률(Shear Strain) 등의 마이크로 기계적 신뢰성 평가를 가능하게 한다. 또한 종래의 싱글 랩 전단 시험편(Single Lap Shear Specimen)이 갖는 전단변형시 모멘트 발생 등의 영향을 완전히 해결할 수 있다.As described above, the present invention, that is, the micro shear-punch tester and the evaluation method using the micro test piece, according to various electronic component base materials and solder alloys and soldering conditions, shear strength and shear on the solder joint of the electronic component Enable micromechanical reliability assessments such as shear strain. In addition, it is possible to completely solve the effects such as the generation of moment during shear deformation of the conventional single lap shear specimen (Single Lap Shear Specimen).

Claims (3)

전자부품의 솔더 접합부에 대한 전단강도(Shear Strength) 및 전단변형률 (Shear Strain) 특성을 평가하는 미소 전단-펀치 시험기에 있어서,In the micro shear-punch tester for evaluating the shear strength and shear strain characteristics of the solder joint of the electronic component, ① 본체의 상부에 위치하며 솔더 접합부 시험편(1)을 고정하는 전단-펀치 지그의 상부다이(2) 및 하부다이(3)와① the upper die (2) and the lower die (3) of the shear-punch jig, which is located on the upper part of the main body and fixes the solder joint test piece (1); ② 상기 전단-펀치 지그(2, 3)의 주위를 둘러싸고, 밀폐 가능한 스테인리스 관(4) 및 그 주위를 일정 시험온도까지 가열시킬 수 있는 시험편 가열로(5)와(2) a specimen heating furnace (5) surrounding the shear-punch jig (2, 3) and capable of heating the sealable stainless steel tube (4) and the surroundings to a predetermined test temperature; ③ 상기 시험편(1)의 고온 산화를 방지하기 위해 스테인리스 관(4)내로 연결된 진공펌프(6)와 불활성가스(Ar) 주입강관(7) 및 토출강관(8)과③ In order to prevent the high temperature oxidation of the test piece (1) and the vacuum pump (6) and inert gas (Ar) injection steel pipe (7) and discharge steel pipe (8) connected into the stainless steel pipe (4) and ④ 상기 가열로(5) 하부의 시험장치 보호를 위해 관으로 연결된 냉각수 순환펌프(9)와 냉각수 주입관(10) 및 토출관(11)과④ The cooling water circulation pump 9, the cooling water injection pipe 10, and the discharge pipe 11 connected to the pipe to protect the test device under the heating furnace 5 and ⑤ 본체의 상부에 위치하며 상기 전단-펀치 지그의 상부다이(2)와 하부다이 (3) 사이에 고정된 시험편(1)에 일정 변위속도로 직접 하중을 부여하기 위한 모터 (12) 및 감속기어(13)와⑤ a motor 12 and a reduction gear for directly applying a load at a constant displacement rate to a test piece 1 positioned at an upper portion of the main body and fixed between the upper die 2 and the lower die 3 of the shear-punch jig; With 13 ⑥ 시험편에 가해지는 하중을 측정하기 위한 로드셀(14)과⑥ Load cell 14 for measuring the load on the test piece ⑦ 상기 시험편(1)의 온도를 감지하는 온도센서(15)와⑦ and the temperature sensor 15 for detecting the temperature of the test piece (1) ⑧ 상기 가열로(5)의 온도를 감지하는 온도센서(16)와⑧ and the temperature sensor 16 for detecting the temperature of the heating furnace (5) ⑨ 상기 시험편(1)의 미소 변위를 측정하기 위해 펀처(20)와 연결되어 있는 미소변위 측정장치(17)와⑨ microdisplacement measuring device (17) connected with the puncher 20 to measure the micro displacement of the test piece (1) and ⑩ 상기의 하중과 미소변위를 저장하기 위해 컴퓨터로 연결된 연결선(18)으로으로 with a computer-connected connection line 18 to store the above loads and microdisplacements 구성된 것을 특징으로 하는 미소 전단-펀치 시험기Micro shear-punch tester, characterized in that 상기 전단-펀치 지그는The shear-punch jig ① 시험편(1)을 올려놓을 수 있는 일정 크기의 공간을 가진 하부다이(3)와① The lower die (3) having a certain size space to put the test piece (1) and ② 상기 하부다이(3) 위에 위치한 일정 크기를 가진 상부다이(2)와② the upper die (2) having a predetermined size located on the lower die (3) and ③ 상기 상부다이(2)의 구멍을 통해 시험편의 솔더 합금 상부를 누르는 펀처 (19)로(3) through a hole in the upper die (2) to a puncher (19) for pressing the upper portion of the solder alloy of the test piece 구성된 것을 특징으로 하는 미소 전단-펀치 시험기Micro shear-punch tester, characterized in that ① 전단-펀치 지그의 하부다이(3)에2.4mm(혹은3.2mm)의 구멍에 솔더로 채워진 10×10×0.5tmm의 크기를 갖는 박판형 시험편(1)을 놓고, 그 위에 상부다이(2)를 놓고 상부다이의 구멍에2.0mm(혹은2.8mm)의 펀처(19)를 장착하는 공정과① On the lower die (3) of the shear-punch jig 2.4 mm (or 3.2 mm), a thin plate-shaped specimen (1) having a size of 10 × 10 × 0.5 t mm filled with solder is placed thereon, and an upper die (2) is placed thereon and the hole of the upper die 2.0 mm (or 2.8mm) puncher 19 and ② 상기 전단-펀치 지그를 스테인리스 관(4) 및 다수의 볼트와 너트 그리고 오일링(Oil Ring)을 이용하여 밀폐시키는 공정과(2) sealing the shear-punch jig using a stainless steel pipe (4), a plurality of bolts and nuts, and an oil ring; ③ 진공펌프(6)로 가열로 내를 30분동안 진공처리하고 그 후 불활성가스(Ar)용기로부터 주입강관(7)을 통해 불활성가스(Ar)를 1.0으로 주입하는 공정과③ Vacuum the inside of the furnace for 30 minutes with the vacuum pump (6), and then inert gas (Ar) from the inert gas (Ar) container through the injection steel pipe (7) 1.0 Injecting into the ④ 상온∼120℃의 온도범위에서 일정 시험온도로 가열로(5)의 온도를 올리는 공정 및 전단-펀치 시험을 수행하기 전 시험온도에서 ±1℃의 오차범위로 약 10분동안 유지하는 공정과④ the process of raising the temperature of the furnace 5 to a certain test temperature in the temperature range of room temperature to 120 ° C. and maintaining it for about 10 minutes at an error range of ± 1 ° C. at the test temperature before performing the shear-punch test; ⑤ 모터(12)와 감속기어(13)를 이용하여 0.2mm/min의 일정 변위속도로 펀처(19)를 솔더 접합부 시험편을 향하여 이동시키는 공정과⑤ The puncher 19 is moved toward the solder joint test piece at a constant displacement speed of 0.2 mm / min using the motor 12 and the reduction gear 13; ⑥ 로드셀(14)을 이용하여 하중(P)를 측정하고, 미소변위 측정장치(17)를 통해 시험편의 중앙변위(δ)를 1㎛까지 측정하는 공정과⑥ measuring the load P using the load cell 14, and measuring the center displacement δ of the test piece to 1 μm through the microdisplacement measuring device 17; ⑦ 상기 측정된 중앙변위(δ)를 솔더 접합부의 길이로 나눠 얻어진 전단변형률()로 변환하는 공정과⑦ shear strain obtained by dividing the measured median displacement δ by the length of the solder joint ( Conversion process ⑧ 상기 측정된 하중(P)을 솔더 접합부의 면적으로 나위 얻어진 전단응력(τ)으로 변환하는 공정과⑧ converting the measured load (P) into shear stress (τ) obtained in the area of the solder joint; ⑧ 상기 전단 응력(τ)을 상기 전단변형률()에 대응하여 전단응력-전단변형률 곡선을 구성하는 공정과⑧ the shear stress τ equals the shear strain ) And the shear stress-shear strain curve ⑩ 상기 전단응력-전단변형률 곡선에서 최대전단강도( τmax), 최대전단변형률( max),을 구하는 공정과최대 the maximum shear strength (τ max ) and the maximum shear strain ( max ), and ⑪ 시험온도( T)에 따른 상기 최대전단강도(τmax)의 거동을 확인하는 공정과공정 a process for checking the behavior of the maximum shear strength (τ max ) according to the test temperature (T) and ⑫ 시험온도( T)에 따른 상기 최대전단변형률( max)의 거동을 확인하는 공정과상기 the maximum shear strain according to the test temperature (T) the process of checking the behavior of max ) ⑬ 리플로 온도( TR)에 따른 상기 최대전단강도(τmax)의 거동을 확인하는 공정과공정 confirming the behavior of the maximum shear strength (τ max ) according to the reflow temperature (T R ); ⑭ 리플로 온도( TR)에 따른 상기 최대전단변형률( max)의 거동을 확인하는 공정과상기 the maximum shear strain according to the reflow temperature (T R ) the process of checking the behavior of max ) ⑮ 솔더 종류에 따른 상기 최대전단강도(τmax)의 거동을 확인하는 공정과공정 a process for checking the behavior of the maximum shear strength (τ max ) according to the type of solder and 솔더 종류에 따른 상기 최대전단변형률( max)의 거동을 확인하는 공정으로 Maximum shear strain according to solder type ( to confirm the behavior of max ) 이루어진 것을 특징으로 하는 미소 전단-펀치 특성 평가 방법Micro shear-punch characteristic evaluation method, characterized in that made
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