Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 연결부의 미세조직 및 기계적 물성치에 대한 시효처리 및 변형률 속도의 영향 Effects of aging treatment and strain rate on mechanical properties and microstructure of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joints원문보기
솔더 연결부는 전자 패키징에서 전기적 및 기계적인 연결을 제공하는데 중요한 역할을 하고 있다. 높은 충격하에서의 무연 솔더 연결부의 기계적 성질은 매우 복잡하며, 솔더 연결부의 특성에 대한 변형률 속도와 시효처리의 효과는 정량화는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 높은 충격하중에서의 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 연결부의 기계적 물성치와 미세조직에 대한 시효처리의 효과를 연구하였다. 특히, 솔더 볼은 솔더 연결부 시험편을 연결하기 위하여 구리 기판위에 솔더링하였다. 솔더링을 실시한 후에 연결부 시험편은 전기로에서 373K, 423K에서 0시간, 24시간, 100시간, 20시간, 1000시간 동안 시효 처리하였다. 소형 샤르피 충격시험기와 유사한 장치를 적용하여 높은 변형률 속도에서 전단 및 ...
솔더 연결부는 전자 패키징에서 전기적 및 기계적인 연결을 제공하는데 중요한 역할을 하고 있다. 높은 충격하에서의 무연 솔더 연결부의 기계적 성질은 매우 복잡하며, 솔더 연결부의 특성에 대한 변형률 속도와 시효처리의 효과는 정량화는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 높은 충격하중에서의 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 연결부의 기계적 물성치와 미세조직에 대한 시효처리의 효과를 연구하였다. 특히, 솔더 볼은 솔더 연결부 시험편을 연결하기 위하여 구리 기판위에 솔더링하였다. 솔더링을 실시한 후에 연결부 시험편은 전기로에서 373K, 423K에서 0시간, 24시간, 100시간, 20시간, 1000시간 동안 시효 처리하였다. 소형 샤르피 충격시험기와 유사한 장치를 적용하여 높은 변형률 속도에서 전단 및 인장 시험을 수행하였다. 광학 현미경 및 EDS를 부착한 주사형 전자현미경을 이용하여 연결부의 파단면과 미세조직을 관찰하였다. 실험 결과를 통하여 금속간 화합물(IMC)층이 시효 온도와 시간이 증가하면서 증가함을 확인하였다. 낮은 시효 온도와 적은 시간동안 시효처리한 시험편의 경우 금속간 화합물의 형상은 scallop 형상이었으며, 온도와 시간이 증가하면서 경계면 에너지의 변화로 인하여 형상은 좀 더 평면화(planar)됨을 확인하였다. 또한, 각 시효 온도에서의 금속간화합물의 증가속도계수를 포물선형의 확산 제어 성장 모델을 적용하여 결정하였다. 전반적인 금속간화합물의 성장에 관한 활성화 에너지는 71.1 kJ/mole로 측정되었다. 변형률 속도 1.06 × 103 s-1 - 5.5 × 103 s-1의 범위에서 시효처리없이 솔더링한 시험편에 대한 전단실험을 한 결과 시험조건내에서 하중속도를 증가시키면 전단강도가 감소하는 것으로 나타났다. 1950 s-1이상의 속도에서 실험한 시험편의 경우 파괴양상이 취성파괴가 대부분이었으며, 이 보다 낮은 속도에서는 파단면이 연성-취성 전이에 해당하였다. Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와 구리 경계면의 금속간화합물의 모드 II에서의 파괴인성치(KIIC)는 본 실험속도 조건 범위에서는 1.63 MPa?m0.5 ∼ 0.97 MPa?m0.5이었다. 373K에서 열시효 처리하여 고속 변형률 속도에서 인장 및 전단 시험을 한 솔더 연결부의 경우 주요 파괴모드는 금속간화합물에서의 벽개파괴에 의한 경계면 취성파괴였다. 인장 및 전단 하중에서의 연결부의 강도와 파괴에너지, 파괴인성치(Kc)는 유효변형률 속도가 증가하면서 감소하였고, 또한 열시효로 인하여 금속간화합물 층의 두께가 두꺼워지면서 이들 물성치는 감소하였다. 그리고, 열시효 처리한 연결부의 인장접합강도는 전단하중보다는 변형률 속도에 더욱 민감하였다. 특히, 373K에서 시효처리한 연결부의 유효응력, 변형률 속도, 시효처리 시간에 대한 관계식을 제시하였다. 각 시효조건에 대한 연결부의 모드 II에서의 파괴인성치는 모드 I에서의 인성치보다 작았다. 시효처리된 솔더 연결부는 전단하중보다 인장하중에서 특히 고속하중에서 좀 더 취약하므로 본 연구에서는 시효처리된 연결부의 인장 거동을 연구하였다. 453K에서 1000시간 시효처리한 솔더 연결부의 인장강도는 시효처리된 다른 연결부보다 변형률 속도에서 좀 더 민감하였다. 유효응력, 변형률 속도, 시효조건, 금속간화합물 두께에 대하여 관계식을 Matlab프로그램을 이용하여 도출하였다. 금속간화합물 두께가 8 ㎛까지 증가하면서 인장강도는 감소하였으며, 8 ㎛ - 14 ㎛ 구간에서는 거의 동일하였으며, 금속간화합물 두께가 14 ㎛이후에는 급격히 감소하였다. 이들 특성은 동일한 변형률 속도에서 금속간화합물 두께가 증가하면서 인장하중에서의 응력집중계수가 변화가 주요 이유이다. 상온에서 충분한 두께를 갖는 솔더 연결부의 Cu6Sn5 금속간화합물에 대하여 나노압입시험(nanoindentation)을 실시하여 이들 금속간화합물의 파괴인성치에 대한 변형률 속도의 영향을 평가하였다. 파괴인성치는 변형률 속도 0.01 s-1 ∼ 0.33 s-1 범위내에서 변형률 속도가 증가하면서 그 값이 1.64 ∼ 0.63 MPa.m0.5로 감소하였다. 이들 값은 전단 혹은 인장하중에서의 Kc값과 유사하였다. 그러나 나노압입시험법으로 측정한 값이 인장이나 전단하중 시험으로 측정한 값보다 변형률 속도에 덜 민감하였다. 이와 같은 결과를 다른 연구에서의 결과와 비교 고찰하였다.
솔더 연결부는 전자 패키징에서 전기적 및 기계적인 연결을 제공하는데 중요한 역할을 하고 있다. 높은 충격하에서의 무연 솔더 연결부의 기계적 성질은 매우 복잡하며, 솔더 연결부의 특성에 대한 변형률 속도와 시효처리의 효과는 정량화는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 높은 충격하중에서의 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 연결부의 기계적 물성치와 미세조직에 대한 시효처리의 효과를 연구하였다. 특히, 솔더 볼은 솔더 연결부 시험편을 연결하기 위하여 구리 기판위에 솔더링하였다. 솔더링을 실시한 후에 연결부 시험편은 전기로에서 373K, 423K에서 0시간, 24시간, 100시간, 20시간, 1000시간 동안 시효 처리하였다. 소형 샤르피 충격시험기와 유사한 장치를 적용하여 높은 변형률 속도에서 전단 및 인장 시험을 수행하였다. 광학 현미경 및 EDS를 부착한 주사형 전자현미경을 이용하여 연결부의 파단면과 미세조직을 관찰하였다. 실험 결과를 통하여 금속간 화합물(IMC)층이 시효 온도와 시간이 증가하면서 증가함을 확인하였다. 낮은 시효 온도와 적은 시간동안 시효처리한 시험편의 경우 금속간 화합물의 형상은 scallop 형상이었으며, 온도와 시간이 증가하면서 경계면 에너지의 변화로 인하여 형상은 좀 더 평면화(planar)됨을 확인하였다. 또한, 각 시효 온도에서의 금속간화합물의 증가속도계수를 포물선형의 확산 제어 성장 모델을 적용하여 결정하였다. 전반적인 금속간화합물의 성장에 관한 활성화 에너지는 71.1 kJ/mole로 측정되었다. 변형률 속도 1.06 × 103 s-1 - 5.5 × 103 s-1의 범위에서 시효처리없이 솔더링한 시험편에 대한 전단실험을 한 결과 시험조건내에서 하중속도를 증가시키면 전단강도가 감소하는 것으로 나타났다. 1950 s-1이상의 속도에서 실험한 시험편의 경우 파괴양상이 취성파괴가 대부분이었으며, 이 보다 낮은 속도에서는 파단면이 연성-취성 전이에 해당하였다. Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와 구리 경계면의 금속간화합물의 모드 II에서의 파괴인성치(KIIC)는 본 실험속도 조건 범위에서는 1.63 MPa?m0.5 ∼ 0.97 MPa?m0.5이었다. 373K에서 열시효 처리하여 고속 변형률 속도에서 인장 및 전단 시험을 한 솔더 연결부의 경우 주요 파괴모드는 금속간화합물에서의 벽개파괴에 의한 경계면 취성파괴였다. 인장 및 전단 하중에서의 연결부의 강도와 파괴에너지, 파괴인성치(Kc)는 유효변형률 속도가 증가하면서 감소하였고, 또한 열시효로 인하여 금속간화합물 층의 두께가 두꺼워지면서 이들 물성치는 감소하였다. 그리고, 열시효 처리한 연결부의 인장접합강도는 전단하중보다는 변형률 속도에 더욱 민감하였다. 특히, 373K에서 시효처리한 연결부의 유효응력, 변형률 속도, 시효처리 시간에 대한 관계식을 제시하였다. 각 시효조건에 대한 연결부의 모드 II에서의 파괴인성치는 모드 I에서의 인성치보다 작았다. 시효처리된 솔더 연결부는 전단하중보다 인장하중에서 특히 고속하중에서 좀 더 취약하므로 본 연구에서는 시효처리된 연결부의 인장 거동을 연구하였다. 453K에서 1000시간 시효처리한 솔더 연결부의 인장강도는 시효처리된 다른 연결부보다 변형률 속도에서 좀 더 민감하였다. 유효응력, 변형률 속도, 시효조건, 금속간화합물 두께에 대하여 관계식을 Matlab프로그램을 이용하여 도출하였다. 금속간화합물 두께가 8 ㎛까지 증가하면서 인장강도는 감소하였으며, 8 ㎛ - 14 ㎛ 구간에서는 거의 동일하였으며, 금속간화합물 두께가 14 ㎛이후에는 급격히 감소하였다. 이들 특성은 동일한 변형률 속도에서 금속간화합물 두께가 증가하면서 인장하중에서의 응력집중계수가 변화가 주요 이유이다. 상온에서 충분한 두께를 갖는 솔더 연결부의 Cu6Sn5 금속간화합물에 대하여 나노압입시험(nanoindentation)을 실시하여 이들 금속간화합물의 파괴인성치에 대한 변형률 속도의 영향을 평가하였다. 파괴인성치는 변형률 속도 0.01 s-1 ∼ 0.33 s-1 범위내에서 변형률 속도가 증가하면서 그 값이 1.64 ∼ 0.63 MPa.m0.5로 감소하였다. 이들 값은 전단 혹은 인장하중에서의 Kc값과 유사하였다. 그러나 나노압입시험법으로 측정한 값이 인장이나 전단하중 시험으로 측정한 값보다 변형률 속도에 덜 민감하였다. 이와 같은 결과를 다른 연구에서의 결과와 비교 고찰하였다.
Solder joints play a crucial role in providing the necessary electrical and mechanical interconnections in electronic packaging. The mechanical properties of lead-free solder joints under high impacts are utterly complex, since the effects of strain rate and aging on characteristics of solder joints...
Solder joints play a crucial role in providing the necessary electrical and mechanical interconnections in electronic packaging. The mechanical properties of lead-free solder joints under high impacts are utterly complex, since the effects of strain rate and aging on characteristics of solder joints need to be quantified. In this study, the influences of thermal aging on the microstructures and mechanical behavior of Sn?3.0Ag?0.5Cu/Cu solder joints under high impacts were investigated. Specifically, the solder balls were soldered on Cu substrates to create as-reflowed solder joint samples. After the reflow soldering process, joint samples were aged in an electron furnace at 373 K, 413 K and 453 K for 0h, 24h, 100h, 250h and 1000h, respectively. Shear and tensile tests were carried out on aged solder joint samples under high strain rates using a modified miniature Charpy impact-testing system. Optical microscopy and scanning electron microscope (SEM) equipped with an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were also used to observe fracture surfaces and the joint microstructures. The experimental results showed that the intermetallic compound (IMC) layers increased as the aging time and the aging temperature increased. The IMC layer developed with a scalloped morphology for samples aged at low aging time and low temperatures, whereas it transformed to a further planar type at longer aging conditions due to a change in the interfacial energy. Furthermore, the growth rate constant of the IMC at each aging temperature was estimated assuming a simple parabolic diffusion-controlled growth model here. The activation energy of overall IMC layer growth was determined to be 71.1 kJ/mole. For as-reflowed solder joints tested at high shear strain rates ranging from 1.06 × 103 s-1 to 5.5 × 103 s-1, the shear strength of the solder joint decreased with increasing load speed in the ranges tested. For solder joints tested at strain rates exceeding 1950 s-1, the brittle fracture mode is the main failure mode, whereas lower strain rates result in a ductile-to-brittle transition in the fracture surfaces. The mode II fracture toughness (KIIC) of an interfacial IMC layer between Sn－3.0Ag－0.5Cu solder and the copper substrate was found to decrease from 1.63 MPa?m0.5 to 0.97 MPa?m0.5 in the strain rate range tested here. For solder joints aged at 373 K and tested at high strain rates of either a shear mode or a tensile mode, the main failure mode of the solder joints was the brittle interfacial fracture mode with cleavage failure in the IMC layer. The joint strength under both shear and tensile modes, the work-of-fracture and the fracture toughness (KC) of the solder joint were found to decrease as the effective strain rate and the aging time increased due to a thicker IMC layer with a coarser nodule under thermal aging. Furthermore, the joint strength after isothermal aging under the tensile load was more sensitive to the strain rate than those under the shear load. Specifically, equations representing the relationships among the effective stress, the strain rate and the aging time were established for the solder joints aged at 373 K here. Moreover, the mode II fracture toughness values were less than the mode I fracture toughness for each aging time condition of solder joints. Because aged solder joints were more vulnerable to tensile loads, especially at high impacts, than they are to shear loads, the tensile behavior of aged solder joints was investigated in following parts of this study. The tensile strength of solder joints aged at 453 K for 1000 h was more sensitive to the strain rate, as compared to the remaining aged solder joints here. Relationships among the effective stress, the strain rate and the aging conditions as well as the IMC thickness were determined using the Matlab program. The tensile strength decreased as the IMC thickness increased to about 8 ㎛, and then became nearly constant at the IMC thicknesses between about 8 ㎛ and 14 ㎛ before decreasing significantly as the IMC thickness exceeded 14 ㎛. The change in the stress concentration of the tensile load due to the excessive increase in the IMC thickness of solder joints at the same strain rate tested was the main cause of these characteristics here. Nanoindentation tests were also performed for Cu6Sn5 IMC layers of solder joints with enough thickness at room temperature to investigate effect of the strain rate on the Cu6Sn5 fracture toughness. This characteristic was found to decrease in a range of (1.64∼0.63) MPa?m0.5 with an increase in the strain rate ranging from 0.01 s-1 to 0.33 s-1. These values were similar to the KC values under above shear or tensile tests. It was, however, when measured by nanoindentation tests, found to be less sensitive to the strain rate compared to measurements gained through above shear or tensile tests. Results here were discussed and compared to those from other studies.
Solder joints play a crucial role in providing the necessary electrical and mechanical interconnections in electronic packaging. The mechanical properties of lead-free solder joints under high impacts are utterly complex, since the effects of strain rate and aging on characteristics of solder joints need to be quantified. In this study, the influences of thermal aging on the microstructures and mechanical behavior of Sn?3.0Ag?0.5Cu/Cu solder joints under high impacts were investigated. Specifically, the solder balls were soldered on Cu substrates to create as-reflowed solder joint samples. After the reflow soldering process, joint samples were aged in an electron furnace at 373 K, 413 K and 453 K for 0h, 24h, 100h, 250h and 1000h, respectively. Shear and tensile tests were carried out on aged solder joint samples under high strain rates using a modified miniature Charpy impact-testing system. Optical microscopy and scanning electron microscope (SEM) equipped with an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were also used to observe fracture surfaces and the joint microstructures. The experimental results showed that the intermetallic compound (IMC) layers increased as the aging time and the aging temperature increased. The IMC layer developed with a scalloped morphology for samples aged at low aging time and low temperatures, whereas it transformed to a further planar type at longer aging conditions due to a change in the interfacial energy. Furthermore, the growth rate constant of the IMC at each aging temperature was estimated assuming a simple parabolic diffusion-controlled growth model here. The activation energy of overall IMC layer growth was determined to be 71.1 kJ/mole. For as-reflowed solder joints tested at high shear strain rates ranging from 1.06 × 103 s-1 to 5.5 × 103 s-1, the shear strength of the solder joint decreased with increasing load speed in the ranges tested. For solder joints tested at strain rates exceeding 1950 s-1, the brittle fracture mode is the main failure mode, whereas lower strain rates result in a ductile-to-brittle transition in the fracture surfaces. The mode II fracture toughness (KIIC) of an interfacial IMC layer between Sn－3.0Ag－0.5Cu solder and the copper substrate was found to decrease from 1.63 MPa?m0.5 to 0.97 MPa?m0.5 in the strain rate range tested here. For solder joints aged at 373 K and tested at high strain rates of either a shear mode or a tensile mode, the main failure mode of the solder joints was the brittle interfacial fracture mode with cleavage failure in the IMC layer. The joint strength under both shear and tensile modes, the work-of-fracture and the fracture toughness (KC) of the solder joint were found to decrease as the effective strain rate and the aging time increased due to a thicker IMC layer with a coarser nodule under thermal aging. Furthermore, the joint strength after isothermal aging under the tensile load was more sensitive to the strain rate than those under the shear load. Specifically, equations representing the relationships among the effective stress, the strain rate and the aging time were established for the solder joints aged at 373 K here. Moreover, the mode II fracture toughness values were less than the mode I fracture toughness for each aging time condition of solder joints. Because aged solder joints were more vulnerable to tensile loads, especially at high impacts, than they are to shear loads, the tensile behavior of aged solder joints was investigated in following parts of this study. The tensile strength of solder joints aged at 453 K for 1000 h was more sensitive to the strain rate, as compared to the remaining aged solder joints here. Relationships among the effective stress, the strain rate and the aging conditions as well as the IMC thickness were determined using the Matlab program. The tensile strength decreased as the IMC thickness increased to about 8 ㎛, and then became nearly constant at the IMC thicknesses between about 8 ㎛ and 14 ㎛ before decreasing significantly as the IMC thickness exceeded 14 ㎛. The change in the stress concentration of the tensile load due to the excessive increase in the IMC thickness of solder joints at the same strain rate tested was the main cause of these characteristics here. Nanoindentation tests were also performed for Cu6Sn5 IMC layers of solder joints with enough thickness at room temperature to investigate effect of the strain rate on the Cu6Sn5 fracture toughness. This characteristic was found to decrease in a range of (1.64∼0.63) MPa?m0.5 with an increase in the strain rate ranging from 0.01 s-1 to 0.33 s-1. These values were similar to the KC values under above shear or tensile tests. It was, however, when measured by nanoindentation tests, found to be less sensitive to the strain rate compared to measurements gained through above shear or tensile tests. Results here were discussed and compared to those from other studies.
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