온도 사이클 시험(Temperature Cycling)란?

고온과 저온을 반복해서 가하여, 재료 간 열팽창 차이로 생기는 솔더 접합부의 피로나 패키지의 크랙·박리를 평가하는 신뢰성 시험.

일본어 명칭: 温度サイクル試験

온도 사이클 시험(Temperature Cycling)은(는) 신뢰성, 패키징과 조립 등 2개 분야의 연습 문제 4개에 나와요.

열팽창 차이가 만드는 변형

반도체 패키지는 실리콘 다이, 몰드 수지, 리드 프레임이나 기판, 솔더, 인쇄 회로 기판처럼 열팽창 계수가 다른 재료로 이루어져 있습니다. 실리콘의 계수는 약 3 ppm/K로 작고 기판과 솔더는 그 몇 배나 팽창하므로, 온도가 바뀔 때마다 팽창 차이가 접합부나 계면의 변형이 됩니다. 한 번의 변형은 작아도 반복되면 금속 피로가 진행되어 크랙이 생깁니다. 온도 사이클 시험은 이 반복을 짧은 기간에 집중시켜, 몇 회 만에 고장이 일어나는지를 조사합니다.

대표적인 조건

부품을 공기 중의 챔버에서 순환시키며, 고온과 저온에서 각각 정해진 시간 동안 유지합니다. JEDEC 규격(JESD22 시리즈)에서는 −55~125 °C나 −65~150 °C 같은 온도 범위가 대표적인 조건이며, 횟수는 수백~수천 회입니다. 차량용 AEC-Q100에서는 온도 등급에 따른 조건을 사용합니다. 부품 단독으로 시험한 뒤 패키지나 내부 접합을 조사하는 부품 레벨 시험 외에, 인쇄 회로 기판에 실장하여 솔더 접합부가 고장 날 때까지의 횟수를 세는 보드 레벨 시험도 있습니다.

주요 고장과 검출 방법

대표적인 고장은 솔더 접합부의 피로 크랙이며, BGA에서는 패키지 모서리에 가까운 볼이 먼저 고장 나기 쉽습니다. 패키지 내부에서는 와이어 본딩 접합부나 와이어 힐의 크랙, 몰드 수지와 다이 또는 리드 프레임 사이의 박리, 다이나 패시베이션막의 크랙이 일어납니다. 보드 레벨 시험에서는 많은 접합부를 직렬로 연결한 데이지 체인의 저항을 모니터링하여 단선을 검출합니다. 박리는 초음파 현미경으로, 내부 크랙은 단면 관찰로 확인합니다.

열충격·파워 사이클과 수명 추정

열충격 시험은 고온조와 저온조 사이에서 샘플을 빠르게 옮기거나 액체에 담가, 온도 사이클 시험보다 빠른 온도 변화를 가합니다. 파워 사이클 시험은 외부에서 가열하는 대신 소자에 전류를 흘려 발열시키는 온·오프를 반복하는 시험으로, 파워 모듈의 평가에 중요합니다. 온도 사이클 시험의 결과로부터 실사용 수명을 추정할 때는 고장까지의 횟수가 온도 변화 폭의 거듭제곱에 반비례한다는 코핀-맨슨 법칙을 사용합니다. 솔더에서는 지수가 2 정도라고 하며, 온도 변화 폭을 절반으로 하면 수명 횟수는 약 4배가 됩니다.

도전해 보기: 온도 사이클 시험(Temperature Cycling) 관련 문제

온도 사이클 시험으로 주로 평가하는 고장은?

A우주선에 의한 소프트 에러
B재료의 열팽창 계수 차이로 인한 솔더 접합부나 패키지의 크랙
CDRAM의 리프레시 불량

정답과 해설 보기

정답: B. 재료의 열팽창 계수 차이로 인한 솔더 접합부나 패키지의 크랙

온도 사이클 시험에서는 예를 들어 −55~125 ℃와 같은 고온과 저온을 수백~수천 회 반복해서 가합니다. 칩(약 3 ppm/K), 기판, 봉지 수지, 솔더 등의 열팽창 계수가 다르기 때문에 온도 변화 때마다 스트레인이 생기고, 솔더 접합부의 피로 파괴, 패키지의 크랙이나 박리가 일어납니다. 수명과 온도 변화 폭의 관계는 코핀-맨슨 법칙으로 나타냅니다. 소프트 에러나 리프레시 불량은 다른 시험으로 평가합니다.

자주 묻는 질문

온도 사이클 시험과 열충격 시험은 무엇이 다른가요?

둘 다 고온과 저온을 번갈아 가하지만, 열충격 시험은 액체조 사이에서 샘플을 옮기는 등 더 급격한 변화를 가합니다. 온도 사이클 시험은 공기 중에서 온도를 바꾸고 각 극단에서 정해진 시간 유지하며, 주로 반복에 의한 접합부의 피로를 평가합니다.

온도 사이클 시험의 대표적인 온도 범위는 어떻게 되나요?

예를 들어 −55~125 °C나 −65~150 °C가 대표적입니다. 범위와 횟수는 적용하는 규격, 제품의 온도 등급, 부품 단독 시험인지 기판에 실장한 상태의 시험인지에 따라 정해집니다.

온도 사이클 시험의 결과로부터 실사용 수명은 어떻게 추정하나요?

코핀-맨슨 법칙으로 시험과 실사용의 온도 변화 폭의 비에서 가속 계수를 구합니다. 솔더에서는 지수가 2 정도라고 하며, 실제로는 평균 온도나 하루당 횟수의 차이도 반영한 모델이 사용됩니다.

해설 속 온도 사이클 시험(Temperature Cycling)

온도 사이클 시험에서는 예를 들어 −55~125 ℃와 같은 고온과 저온을 수백~수천 회 반복해서 가합니다.
온도 사이클 시험으로 주로 평가하는 고장은?
경화가 불충분하면 리플로나 온도 사이클 시험에서 박리나 크랙이 발생하기 쉬워집니다.
수지로 몰드한 후의 패키지를 오븐에서 한동안 가열하는(포스트 몰드 큐어) 주된 목적은?
온도 사이클 시험은 접합의 피로, 낙하 시험은 충격에 대한 내성을 평가합니다.
제품을 고온에서 장시간 동작시켜 수명이나 고장률을 평가하는 대표적인 신뢰성 시험은?
가혹한 조건의 온도 사이클 시험 결과로부터 완만한 실제 사용 환경에서의 수명을 추정하는 데 사용됩니다.
온도 사이클에 의한 솔더 접합의 피로 수명을, 온도 변화 폭(스트레인의 크기)과 반복 횟수의 관계로 나타내…