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Ansys Sherlock과 함께 PCB 신뢰성 분석하기 - Solder Fatigue 해석
- 신주경 매니저
- 태성에스엔이
- jgshin@tsne.co.kr
Ansys Sherlock과 함께 PCB 신뢰성 분석하기 - Solder Fatigue 해석
Introduction
전자기판(PCB Assembly)은 전자 제품과 차량 등 다양한 산업에서 필수 부품으로, 기술 발전과 고밀도화로 신뢰성이 중요해지고 있다. 특히 차량 전장 부품은 사용자의 안전과 직결되기 때문에 진동, 온도 등 가혹한 환경을 고려한 강건 설계가 필수적이다. 이를 위해 Ansys Sherlock™(이하 Sherlock)을 활용한 시뮬레이션 기반의 설계 및 신뢰성 분석이 필요하며, 분석 결과를 통해 개발 초기 단계에서 예상 수명과 취약점을 파악해 설계에 반영할 수 있다.
Sherlock은 전자기판의 신뢰성을 분석할 수 있는 전문 프로그램으로 진동, 피로, 충격, 열 주기 등 전자기판에 가해지는 다양한 요인들을 고려하여 신뢰성을 분석할 수 있다. 이번 글에서는 이 중 열 하중을 고려한 피로 해석 방법인 Solder Fatigue 해석에 대해 소개하고 해석을 수행하는 방법에 대해 설명하겠다.
■ Solder Fatigue 해석이란?
[그림 1] PCB 기판의 구성(전자부품, 솔더 조인트, 인쇄기판)
솔더 조인트(Solder Joints)는 그림 1과 같이 전자부품과 인쇄기판의 사이에 위치하여 이들을 전기적, 열적, 기계적으로 연결하는 역할을 한다. 이 때, 환경 온도가 변화하면 접촉해 있는 소재 간의 열팽창계수 차이로 응력이 발생되며, 온도 변화가 반복되면서 솔더의 손상이 누적되면 솔더 조인트의 파손으로 이어지게 된다. 이렇게 반복되는 열 하중에 의한 솔더 조인트의 파손에 대해 해석하는 것이 바로 Solder Fatigue 해석이다.
앞서 설명한 것처럼 솔더 조인트는 전자부품과 인쇄기판을 연결해 주는 중간다리 역할을 하고 있다. 그렇기 때문에 Solder Fatigue 해석 결과는 그림 2와 같이 환경의 온도 차, 작동 시간(고온 노출시간) 뿐만 아니라 부품 및 솔더 조인트, 기판의 형상 및 재료 특성의 영향을 받는다.
[그림 2] Solder Fatigue 해석 결과에 영향을 주는 요인들
Sherlock에서는 현업에서 사용되고 있는 부품 및 솔더에 대한 정보들을 기본 라이브러리로 제공하고 있다. 만약 라이브러리에 원하는 항목이 존재한다면 바로 사용할 수 있고, 때에 따라 일부 정보를 추가 및 수정하는 것도 가능하다. 하지만 솔더의 경우에는 기본적인 기계 및 열 물성 뿐만 아니라 피로 관련 물성과 보정계수까지 입력해야 하기 때문에 임의로 값을 입력하는 것을 추천하지는 않는다. 2024R2 버전을 기준으로 총 9개의 솔더 물성을 제공하고 있으며, 버전이 업그레이드되면서 조금씩 추가되고 있으니 필요하다면 이 물성들을 활용하는 것을 추천한다.
■ Solder Fatigue 해석의 열 하중 정의 방법
Solder Fatigue 해석의 하중 조건인 환경 온도 및 작동 시간은 Sherlock 내 Thermal Event 탭에서 Thermal Profile의 형태로 정의되며, 일반적으로는 제품의 산업군 또는 기판 부착 위치에 따라 정해진 규격(ES, MS, KS, ISO, MIL, GMW, ASTM 등)을 참고하여 입력한다. 이 때, 그림 3과 같이 하나의 Profile에 온도 값은 2개(Min & Max)까지만 입력 가능하며, 초기 온도(0 min)와 최종 온도 값은 반드시 동일해야 한다.
[그림 3] Thermal Profile 예시
또한, 때에 따라 열 화상 측정 데이터를 가지고 있거나 각 부품 별 온도 값을 알고 있는 경우에는 Thermal Mapping 기능을 활용하여 열 하중을 정의하는 것도 가능하다. 일반적으로 열 하중을 Thermal Profile로 정의할 경우에는 기판전체의 온도가 환경온도와 동일하게 변화한다고 가정하게 되는데, Thermal Mapping 기능을 사용하면 기판 또는 부품의 위치 별 온도를 다르게 설정할 수 있어 조금 더 실제와 유사한 조건으로 해석을 수행하는 것이 가능하다. Thermal Mapping 데이터는 설정에 따라 해당 Thermal Event의 Min 또는 Max 값을 대신하여 해석에 적용되며, 해당 값이 적용되는 시간은 Thermal Event의 설정 값과 동일하다. 그림 4를 예로 들면, Thermal Mapping 데이터가 Max Temp로 설정된 경우 Max Temp의 온도 값인 60 대신 Thermal Mapping 데이터의 온도 분포가 사용되며 Max Temp의 Time 값인 60분 만큼 유지된다.
[그림 4] Thermal Mapping 적용 예시
일반적으로 열 화상 측정 데이터의 확장자는 이미지 파일(PNG, JPG 등)이며, 부품 별 온도 데이터는 EXCEL 또는 CSV 파일이다.(그림 5)
[그림 5] Thermal Mapping 데이터 예시. (좌) 열 화상 측정 데이터, (우 ) 부품 별 온도 데이터
두 데이터를 해석에 반영하는 방법은 거의 유사하며, 자세한 방법은 다음과 같다.
- 열 화상 측정 데이터 적용 방법
- Files 탭 마우스 우 클릭 → Add File(s) 선택
- 열 화상 측정 데이터 선택 및 Add Files(s) 버튼 클릭
[그림 6] 열 화상 측정 데이터 추가 방법(1~2번 내용)
- 불러온 열 화상 측정 데이터 마우스 우 클릭 → Edit Properties 선택
- File Type으로 ‘Thermal Map(Image)’ 선택
- 열 화상 측정 데이터를 참고하여 Min & Max Temperature 값과 Thermal Profile(s) 설정 → Save
[그림 7] 열 화상 측정 데이터 설정 방법(3~5번 내용)
- 열 화상 측정 데이터 다시 마우스 우 클릭 → Edit Layer 선택
- Align Board 및 Align Legend 기능을 활용하여 기판 및 Legend 영역 설정
[그림 8] 열 화상 측정 데이터 세부 설정(6~7번 내용)
- 열 화상 측정 데이터 마우스 우 클릭 → View Layer 선택 → 열 화상 측정 데이터 확인
[그림 9] 설정 완료된 열 화상 측정 데이터(8번 내용)
이렇게 모든 설정이 완료된 열 화상 측정 데이터는 Pick & Place 창을 통해 어떻게 해석에 반영되는지 확인할 수 있다.(그림 10) 만약 예상과 다르게 온도 데이터가 반영된 것이 확인되면 다시 Edit Layer 기능을 사용하여 기판 설정을 수정하면 된다.
[그림 10] Pick & Place 창: Thermal Mapping 결과(열 화상 측정 데이터)
- 부품별 온도 데이터 적용 방법
- Files 탭 마우스 우 클릭 → Add File(s) 선택
- 부품 별 온도 데이터 선택 및 Add Files(s) 버튼 클릭
[그림 11] 부품 별 온도 데이터 추가 방법(1~2번 내용)
- 불러온 부품 별 온도 데이터 마우스 우 클릭 → Edit Properties 선택
- File Type으로 ‘Thermal Map(CSV)’ 선택
- CSV 파일을 참고하여 세부 설정 적용(Reference ID 및 Temperature Column, Thermal Profiles(s) 등) → Save
[그림 12] 부품 별 온도 데이터 설정 방법(3~5번 내용)
- Pick & Place 창에서 Thermal Mapping 결과 확인
[그림 13] Pick & Place 창: Thermal Mapping 결과(부품 별 온도 데이터)
■ Solder Fatigue 해석 수행 방법
앞에서 정의한 Thermal Event는 Solder Fatigue 해석의 하중 조건으로 사용하게 된다. Sherlock 창 좌측에 있는 항목 중 Analysis 탭에서는 수행할 수 있는 해석 목록을 확인할 수 있는데, 그 중 Solder Fatigue를 마우스 우 클릭 후 Run Analysis Task라는 기능을 선택하면 해석 설정 창(Solder Fatigue Properties)을 켤 수 있다.
[그림 14] Solder Fatigue Properties 창
그림 14와 같이 Solder Fatigue Properties 창이 뜨면 원하는 Solder Material과 Thermal Event를 선택하고 ‘Save & Run’ 버튼을 눌러 해석을 수행한다. Solder Fatigue 해석은 Closed Form Equation으로 결과를 도출하기 때문에 격자를 따로 생성하지 않아 수초 ~ 수분 내에 결과를 확인할 수 있다.
■ Solder Fatigue 해석 결과 확인 방법
해석이 완료되면 Solder Fatigue를 더블 클릭하여 해석 결과를 확인할 수 있다. 해석 결과 창에는 그림 15와 같이 좌측과 하단에 여러 개의 탭이 존재한다. 좌측 탭에서는 현재까지 진행된 해석 결과들을 선택할 수 있으며, 하단의 탭에서는 해당 좌측에서 선택한 해석에 대한 세부 결과들을 추가로 선택할 수 있다.
[그림 15] 해석 결과 창: Summary 탭
하단 탭 중 Summary, Life Prediction, Time To Fail 탭에서는 해석의 전반적인 설정과 신뢰성 관련 결과를 요약해서 볼 수 있으며, Solder Fatigue 해석의 구체적인 결과는 Table 탭에서 확인 가능하다.(그림 16, 17)
[그림 16] Solder Fatigue 해석 결과: Life Prediction 탭
[그림 17] Solder Fatigue 해석 결과: Table 탭
그림 16에서 확인할 수 있듯이 Life Prediction 탭에서는 초기에 정의한 Service Life 동안의 고장률 목표(ex. 10년동안 20% 고장률)를 기준으로 Solder Fatigue 결과가 이를 얼마나 만족하는지 확인할 수 있다. 그리고 그림 17과 같이 Table 탭에서는 각 부품 별 dT(온도 차), Damage, TTF(Time to Failure)등의 자세한 결과들을 확인할 수 있으며, 기본적으로 Damage가 큰 부품부터 정렬되기 때문에 현재 설정에서 가장 위험한 부품이 어떤 것인지 그리고 얼마만큼의 손상이 발생하는지 등을 한눈에 확인할 수 있다. 그리고 이 글에서는 자세히 다루고 있지 않지만, 초기에 설정한 고장률 기준이 있다면 그 기준에 따라 Score 값이 산출되고 그 값에 따라 각 부품이 초록(안전), 노랑(주의), 빨강(위험)으로 표시되게 된다. 이렇게 얻은 Solder Fatigue 해석 결과를 통해 부품의 예상 수명과 취약점을 파악할 수 있으며, 이를 반영하여 설계 수정 여부 및 방향을 결정할 수 있다.
맺음말
지금까지 전자기판의 신뢰성을 분석할 수 있는 전문 프로그램인 Sherlock에 대해서 간단히 소개하였으며, Sherlock을 활용하여 Solder Fatigue 해석을 수행하고 결과를 확인하는 방법에 대해서 설명하였다. Sherlock에서는 그 외 진동, 충격, 열 응력 해석 등도 지원하고 있으며, 추가적인 해석에 대해 궁금한 경우 태성에스엔이 홈페이지를 통해 문의가 가능하다.
참고로, 이번 글에서 사용된 Input 파일들은 모두 Sherlock 설치 폴더 내 ‘tutorial’이라는 이름의 폴더에 포함되어 있다. ‘ODB++ Tutorial.tgz’ 파일은 테스트 기판 파일이며, ‘ThermalMaps’라는 폴더에는 Thermal Mapping 예제 파일들이 있다. 이 파일들을 활용하면 이 글에서 설명한 Solder Fatigue 해석 및 Thermal Mapping 기능을 연습해 볼 수 있다.
■ 참고자료
-ANZINE Vol 66. 신뢰도 높은 PCB 해석을 위한 모델링 방법 및 전자기판 모델링 자동화(태성포털)
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