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문제 정의
- 본 연구에서는 앞에서 언급한 “BGA를 사용하여 접 합부의 신뢰성을 검토하였다. “BGA 또한 솔더 접합 부의 형상이 패키지 자체의 신뢰성에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 보고되어지고 있고, 가장 신뢰성이 좋은 형상을 제시하는 방법을 찾아내기 위해 많은 연구자들이 노력을 하고 있다.
- 시효 처리는 130℃, 150℃, 170℃ 온도에서 각각 300, 600, 900 시간동안 한 후, 시효 처리에 따른 전단강도를 구하여 Sn/Pb 솔더와 비교하 였으며 그에 따라 형성된 솔더내부의 금속간화합물 형 상으로부터 균열의 성장과 형성에 대하여 논하였다. 이런 실험결과들로부터 두 무연솔더의 장기신뢰성 측면에서 대체가능성을 제시하였다.
- 본 연구에서는 Truncated Sphere Method 와 Energy-Based Method중 최소 에너지 법칙을 바탕으로 제작된 FEA Program인 Surface Evolver에 대해 설명하기로 한다.
- 본 연구는 최근 각광 받고있는 “BGA의 솔더 접합 부의 최적 형상을 제시하고, 그 형상의 신뢰성을 검증 함을 목표로 하고 있다. 솔더 접합부의 형상 예측법인 Truncated Sphere법과 Surface Evolver를 이용하여 솔더 접합부 높이와 지름을 예측하고, 그 예측 형상 을 대상으로 유한요소 해석을 실시하여 형상의 신뢰성 을 평가하였다.
제안 방법
- “BGA 또한 솔더 접합 부의 형상이 패키지 자체의 신뢰성에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 보고되어지고 있고, 가장 신뢰성이 좋은 형상을 제시하는 방법을 찾아내기 위해 많은 연구자들이 노력을 하고 있다. 일반적으로, 솔더 리플로우 형상 을 예측하는 방법들 중 본 연구에서는 Truncated Sphere Method 와 Energy-Based Algorithm을 기 본으로 제작된 FEA Program 인 Surface E vol ver 를 사용하여 솔더 접합부의 형상4)을 예측하고, 그 결과를 비교하였다. 또한, 예측된 형상을 모델링한 후 FEA Program인 ANSYS(Version5.
- 이와 더불어, 현재 Sn/Pb 솔더를 사용하여 제품에 사용되고 있는 48//BGA 패키지를 사용하여 Sn/Ag 계열의 두 무연솔더인 Sn-3.5Ag-0.75Cu와 Sn-2.0Ag- 0.5Cu-2.0Bi를 접합하여 장기신뢰성을 시효처리를 통하여 제시하였다. 시효 처리는 130℃, 150℃, 170℃ 온도에서 각각 300, 600, 900 시간동안 한 후, 시효 처리에 따른 전단강도를 구하여 Sn/Pb 솔더와 비교하 였으며 그에 따라 형성된 솔더내부의 금속간화합물 형 상으로부터 균열의 성장과 형성에 대하여 논하였다.
- 0Bi를 접합하여 장기신뢰성을 시효처리를 통하여 제시하였다. 시효 처리는 130℃, 150℃, 170℃ 온도에서 각각 300, 600, 900 시간동안 한 후, 시효 처리에 따른 전단강도를 구하여 Sn/Pb 솔더와 비교하 였으며 그에 따라 형성된 솔더내부의 금속간화합물 형 상으로부터 균열의 성장과 형성에 대하여 논하였다. 이런 실험결과들로부터 두 무연솔더의 장기신뢰성 측면에서 대체가능성을 제시하였다.
- 다음으로 Au wire를 들어올려 물리적인 절단을 가하는 공정을 거쳐 Au stud 범프를 형성하게 된다5). 이런 범프 chip의 기판에의 실장방법은 반도체 chip측의 범 프재질과 구조에 대응하여 여러 가지가 있지만, 여기선 ACA(Anisotropic conductive adhesives) 접속에 대해 알아보도록 한다. ACA 접속은 반도체 chip 측이 Au bump인 경우 많이 사용되고 있다.
- 본 연구에서는 6x8배열의 “BGA 패키지를 PCB 기판 위에 접합한 구조를 해석 대상으로 하였다. 해석 대상은 열해석과 구조해석을 동시에 수행하는 연성해석 (coupled fields analysis)을 선택하였으므로, 시간과 해석의 용이성을 고려하여 결과에 영향을 미치지 않는 조건 하에서 단순화 작업을 하였다. 모델의 구성은 실리콘 칩, 인캡슐런트, 구리 패드, 일라스토머, 솔더 접합부, FR-4재질의 PCB등의 총 6가지의 재질로 단순 화하였다.
- 각 솔더의 최고온도는 Sn-37Pb 230℃, Sn-Ag계열 무연솔더 260 ℃ 로 하였다. 액상상태 유지시간은 약 60초로 설정 하여 금속간화합물의 높이가 전단강도에 미치는 영향과 패키지에 미치는 영향을 최소화하였다7) 그리고 전단 실험은 레스카(Rhesca)사의 Bonding Tester PTR- 1000을 사용하였으며, 팁 (Tip)의 속도는 0.2mm/s, 접지높이는 5㎛ 조건에서 실험하였다. 전단강도 값은 조건마다 3개 시편의 각각에서 24개의 ball을 실험하였으며, 최대와 최소를 제외한 평균값을 구하였다.
- 솔더 접합부의 형상을 예측하는데 적용되는 부피는 PCB에 인쇄되는 페이스트의 양에 해당하는 부피를 더 가산해야한다. 본 실험에서는 0.35mm 솔더 볼을 이용한 〃BGA 패키지의 솔더 접합부 형상을 예측했다. PCB에 도포되는 페이스트의 두께는 0.
- 35mm 솔더 볼을 이용한 〃BGA 패키지의 솔더 접합부 형상을 예측했다. PCB에 도포되는 페이스트의 두께는 0.12mm, 패키지 부와 PCB부의 패드크기는 동일하게 0.3mm를 적용하였다.
- 4092#이다. Truncated Sphere법을 이용해 구한 최적 형상의 h 값을 기준으로 뚜렷한 결과가 예측되는 임의의 오차(±0.05mm)를 주어 2개의 접합부를 더 형상화하였다. 오차값은 큰 높 이 오차를 갖는 형상이 볼 형상을 유지하면서, 모래시 계형상(hourglass shape)을 갖지 않는 조건에서 최대 한의 높이 오차를 가하였다.
- 05mm)를 주어 2개의 접합부를 더 형상화하였다. 오차값은 큰 높 이 오차를 갖는 형상이 볼 형상을 유지하면서, 모래시 계형상(hourglass shape)을 갖지 않는 조건에서 최대 한의 높이 오차를 가하였다. Fig.
- 소성변형의 중첩은 파단에 이르게 하는 가장 큰 요 인 중 하나이다. 그래서, 해석결과를 정리하여 각 형상 들의 소성변형량을 측정하고, 그 값을 이용하여 소성변형 진폭을 구하여, 각 모델의 수명을 예측하였다. 결과를 보면 최적형상이 가장 작은 소성변형진폭을 나타냄 을 볼 수 있다.
- 48“BGA의 구리패드 지름은 0.3mm이며, 이런 미 세 접합부의 기계적 성질의 변화를 검토하기 위해서 Sn-3.5Ag-0.75Cu와 Sn-2.0Ag-0.5Cu-2.0Bi> 시 효처리에 따라 전단강도를 측정하여 Sn-37Pb 공정솔 더와 비교였다. Fig.
- 시효 시간이 증가함에 따라 경도값은 증가하지만, 솔더조직 은 취성화되기 때문에 오히려 전단강도 값은 감소하는것을 볼 수 있다. 본 시효처리실험에서는 금속간화합물 층을 관찰하기 위해서 시효처리한 시편의 단면을 연마 하여 SEM (Scanning Electron Micrography)고} EDX (Energy Dispensive X-ray)로 관찰 . 분석하였다.
- 본 연구는 최근 각광 받고있는 “BGA의 솔더 접합 부의 최적 형상을 제시하고, 그 형상의 신뢰성을 검증 함을 목표로 하고 있다. 솔더 접합부의 형상 예측법인 Truncated Sphere법과 Surface Evolver를 이용하여 솔더 접합부 높이와 지름을 예측하고, 그 예측 형상 을 대상으로 유한요소 해석을 실시하여 형상의 신뢰성 을 평가하였다. 아울러, 기존의 공정솔더와 환경친화적 인 무연솔더 Sn-3.
- 솔더 접합부의 형상 예측법인 Truncated Sphere법과 Surface Evolver를 이용하여 솔더 접합부 높이와 지름을 예측하고, 그 예측 형상 을 대상으로 유한요소 해석을 실시하여 형상의 신뢰성 을 평가하였다. 아울러, 기존의 공정솔더와 환경친화적 인 무연솔더 Sn-3.5AgQ75Cu와 Srr2.0Ag-0.5Cu-2.0Bi 를 적용한 접합부를 시효처리하여 장기신뢰성을 검토하였으며, 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 6x8배열의 “BGA 패키지를 PCB 기판 위에 접합한 구조를 해석 대상으로 하였다. 해석 대상은 열해석과 구조해석을 동시에 수행하는 연성해석 (coupled fields analysis)을 선택하였으므로, 시간과 해석의 용이성을 고려하여 결과에 영향을 미치지 않는 조건 하에서 단순화 작업을 하였다.
- 해석 대상은 열해석과 구조해석을 동시에 수행하는 연성해석 (coupled fields analysis)을 선택하였으므로, 시간과 해석의 용이성을 고려하여 결과에 영향을 미치지 않는 조건 하에서 단순화 작업을 하였다. 모델의 구성은 실리콘 칩, 인캡슐런트, 구리 패드, 일라스토머, 솔더 접합부, FR-4재질의 PCB등의 총 6가지의 재질로 단순 화하였다. Fig.
- 5는 대상 모델의 개략적인 구조를 나타내었다. 모델의 제작은 최적높이에 의해 구현된 형상과 임의 오차를 가한 2개의 모델로 총 3개를 대상으로 유한요소해석을 실시하였고, 각 모델의 해석과정에서 결과의 차이를 배제하기 위해 모두 동일한 메쉬방식과 1, 603개의 노드와 1, 297개의 요소로 동일하게 구성하였다.
- 시효실험에 사용된 6X8열의 48“BGA는 칩보다 0.5mm큰 6.3x6.2mm이며, 구리 패드간 피치는 0.75mm인 CSP 계열의 패키지이다. 칩과 폴리미드 필름사이에는 응력완화재로 일라스트머 (Elastomer) 재질의 누빈(Nubin)를 사용하였으며 , 구리패드에 도금 한 금의 두께는 1.
- 75mm인 CSP 계열의 패키지이다. 칩과 폴리미드 필름사이에는 응력완화재로 일라스트머 (Elastomer) 재질의 누빈(Nubin)를 사용하였으며 , 구리패드에 도금 한 금의 두께는 1.0±0.3#이다. 또한 실험에 사용된 무연솔더볼은 센주메탈사(Sanju Metal Industry)의 지름 0.
- 3#이다. 또한 실험에 사용된 무연솔더볼은 센주메탈사(Sanju Metal Industry)의 지름 0.35mm의 3원계 Sir3.5Ag-0.75Cu와 4원계 Sn-2.0Ag-0.5Cu-2.0Bi이다. 솔더링에 사용된 플럭스 는 저잔사, 무세정, 광택표준품인 알파메탈(Alpha Metal)사의 로진계 RMA SRT2를 사용하였다.
- 0Bi이다. 솔더링에 사용된 플럭스 는 저잔사, 무세정, 광택표준품인 알파메탈(Alpha Metal)사의 로진계 RMA SRT2를 사용하였다. 그리고 솔더링에 사용된 리플로우 장비는 코키(Koki)사의 적외선 .
데이터처리
- 2mm/s, 접지높이는 5㎛ 조건에서 실험하였다. 전단강도 값은 조건마다 3개 시편의 각각에서 24개의 ball을 실험하였으며, 최대와 최소를 제외한 평균값을 구하였다.
이론/모형
- 또한, 대략적인 피로수명 계산을 위해 Coffin-Manson 의 수명 예측식을 이용하였다.
성능/효과
- 일반적으로, 솔더 리플로우 형상 을 예측하는 방법들 중 본 연구에서는 Truncated Sphere Method 와 Energy-Based Algorithm을 기 본으로 제작된 FEA Program 인 Surface E vol ver 를 사용하여 솔더 접합부의 형상4)을 예측하고, 그 결과를 비교하였다. 또한, 예측된 형상을 모델링한 후 FEA Program인 ANSYS(Version5.62)를 사용하여 가장 적은 변형량을 나타내는 최적의 솔더 접합부의 형상을 찾아내었고, 두 형상 예측법의 타당성을 입증하였다.
- 피로상수a와 C는 기존에 발표되었던 Sn-37Pb 솔더 의 피로상수를 사용하였으며, 피로 상수값은 Table 2에 나타내었고, 식 (6)에 의해 계산된 값은 Table 3에 나타내었다/. 결과에서 알 수 있듯이 Truncated Sphere법과 Surface Evolver가 제안한 솔더 접합부 의 형상이 임의 오차를 가한 다른 형상에 비해 약4%~8% 우수한 수명을 나타내었다. 이것은 솔더 접합 부 형상 예측법이 제시한 형상이 가장 적합한 모델이 며, 제품의 수명면에서도 가장 우수하다는 것을 알 수 있다.
- 9는 시효온도 170℃에서 0, 300, 600, 900시간 동안 시효처리 한 후에 전단강도 를 측정한 것이다. 측정결과 두 무연솔더는 전체적인 시효조건에서 Sn-37Pb 솔더 보다 높은 강도를 보였으 며 Bi가 첨가된 4원계 무연솔더는 높은 재료강성을 보 여주었다. 초기접합강도 보다 시효 300시간 이후의 강 도가 높은 것은 시효처리에 따른 미세 석출물로 인한 석출경화 현상에 기인한 것으로 판단되며, 세 솔더 모두 시효 시간이 증가함에 따라 강도는 감소하는 경향을 나타내었다.
- 10은 무연솔더의 170℃, 900시간 시효처리 후에 전단강도실험에 의한 파단면을 나타내주 었다. 시효처리전의 파단면에서는 작은 입자에 의한 파 단을 관찰할 수 있으며, 시효온도 170℃, 900시간 후 의 파단면 입자는 상당히 성장한 것을 관찰할 수 있었다. 이는 시효처리에 의해서 성장한 입자의 크기가 성 장할수록 강도는 저하하는 것으로 판단된다.
- 1) Truncated Sphere법을 이용하여 구현한 형상과 Surface Evolver를 이용하여 구현한 형상을 서로 비교한 결과, 서로의 오차가 ±0.002mm로 거의 일치함 을 확인하였다.
- 2) 형상 예측법으로 구현한 형상을 대상으로 FEA 프로그램(ANSYS ver.5.62)을 사용하여 열 사이클 시 험을 실시한 결과, 형상 예측법이 제시한 접합부 형상 의 수명이 임의 오차를 갖는 다른 형상에 비해 약 4%~8% 우수한 것으로 나타났다.
- 3) FEA 해석결과 솔더 접합부 부위에 열응력이 집 중하는 것을 확인하였으며, 장기신뢰성의 지표인 열피 로 및 시효파괴 역시 이 곳에서 발생할 것으로 판단되어 진다.
- 4) 솔더 조직내의 석출경화 현상으로 인해 무연솔더 접합부의 전단강도가 공정솔더에 비해 우수함을 알 수 있었다. 그러나, 시효 시간이 증가함에 따라 솔더 조직 이 취성화되기 때문에 전단강도 값은 오히려 감소함을 볼 수 있다.
후속연구
- 현재 FC 접속 기술이 가장 많이 채용되고 있는 것은 액정시장의 COG 접속이다. 앞으로 시장확대를 위해서는 몇가지 해결해 나가야 할 문제가 있지만 고밀도 실장이 가능하 다고 하는 특징으로 보면, FC 접속 술이 적용될 분야 는 확대되어 갈 것이라고 생각된다. FC 접속 기술을 논하는데는 반도체 chip 측의 범프형성 기술이 필요하 고, 그 재질에는 Pb 범프, 금도금 범프, Au stud 범 프 등이 있다.
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