[논문]벗김강도 측정법에 의한 파워 모듈의 솔더접합 특성 평가

김남균; 이희흥; 방욱; 서길수; 김은동

doi:10.4313/jkem.2003.16.12.1142

문제 정의

솔더 접합된 절연기판과 〒리전;;■간의 접합강도를 벗김강도 방식£로 측정하였으며 파단면을 관찰하여 파워 모듈의 솔더접 합 특성을 평 가하고 그 효용성에 대하여 토론하고자 한다.

가설 설정

이는 일반적으로 패키지에 사용되는 각종 재료중에서 수;더(주로 Pb$n)가 가장 낮은 강도를 보이기 때문이다. 二t러나 도금층의 접합이 불량하든지 혹은 도甘층의 표면이 오염되었거나 산화되었을 경우 솔더와 Ni 노甘층간의 접합이 불량하여 접합강도가 낮아지므로 二I림 9(b)와 같이 일부 혹은 전체적인 균열면이 솔더층과 도금층의 계면을 따라 생성될것으로 생각된다. :z림 7에서 보인 A 및 B 시편의파괴 모드는 그림 9(a)의 파괴 모드를 따른 것으로분류할 수 있으며 그림 8에서 보인 C 시편의 경우에는 림 9(b)의 파괴 모圧로 분류된다.

제안 방법

솔더접합이 이루어지는 孑리 전극단자는 솔더 공정중에 전큭■단자의 하중이 솔더층에 균일하게 전달되어 솔더층 두께가 균일흐H 지도록 Fig. 2와 같이 “ㄷ"자 형태로 子부려서 제작하였다. 제작된 전극단자느 두께(t) 0.
4는 본 실험에서 벗김강도 측정시 시편과 지그의 결합상태 및 하중 방향을 보여주는 모식도이다. Fig. 4에서와 같이 인장강도 측정기의 상단과 하단에 각각 〒리 전渚단자와 구리 베이스판을 각각 물리어 인장응력을 가함으로써 강도를 측정하였다. 한편 파워 모듈의 베이스판을 인장강도측정기의 하단에 고정하기 위한 지二I■를 별도로 설계하여 제작하였다.
Mo-Mn 금속화 알루미나 절연기판을 사용한 시편에서 Ni 도금층에 대한 사전 열처리의 유무가 솔더접 합강도에 어떠 한 영향을 미 쳤는지 조사하고자솔더접합 파단면을 분석하였다. 림 7은 Ni 도급층에 대한 사전 열처 리를 행한 다음 솔더 링한 경우 (B 시편)의 솔더 파단면을 광학현叫경으로 관찰한것이다.
2㎜의 구리 박판을 직접 접합하여 표면을 두께 약 3㎛의 니켈로 도금한 것이며, Mo-Mn 금속접합기판은 알루미나의 양면을 Mo-Mn 층으로 금속화한 후 역시 표면을 니켈로 도금한 것이다. 결국 직 접접합기판이든 Mo-Mn 금속접합 기판이든 솔더와의 접합은 양쪽 표면의 니켈 노금층에서 이루어지도록하였다.
니켈 도금층의 표면 상태가 열처리에 따라 달라지고 이에 따라 솔더링 특성노 달라질 수 있으므로 Mo-Mn 층으로 금속화한 후 도금층에 대한 고온 열처리를 행한 경우와 열처리하지 않은 경우로 구별하여 파워모듈을 제작하였다. Mo-Mn 그속화 알루미나의 도금층에 대한 사전 열처리는 800°C 아르곤 분위기에서 행하였다.
먼저 맨 아래쪽에 90x45mnf의 면적을 가진 3 mm 두께의 구리 베이스 판 (copper base plate)을 놓고 위에 솔더, 알루미나 절연기판, 솔더, 그리고 구리 전극단자를 차례로 쌓은 다음 최고온도가 350°C 로 맞추어진 리플로우 로 (reflow furnace)에서 솔더 접합강도 측정용 샘플을 제작하였다. 흔히 파워 모듈은 전극단자와 절연기판 사이에 실리콘계 전력 소자가 솔더접합된 형태로 제작되지만 벗김강도를 측정할 경우 취성이 강한 실리콘 칩이 먼저 파괴되어 솔더층 계면의 강도를 측정하지 못할 우려가 있어 실리콘 소자를 배제하고 솔더링 하였다.
벗김강노 측정을 위한 파워모듈은 구리 베이스 판 (copper base plate) 을 놓고 위에 Pb95%~Sn5% 솔더, 알루미나 절연기판, 솔더, 그리고 구리 전극단자를 차례로 쌓은 다음 최고온도가 350℃로 맞추어진 리플로우 로(reflow furnace)에서 제작하였다.
본 연구에서는 파워 모듈 제작에 사용되는 동일한 재료를 사용하여 리플로우(reflow) 솔더링 장치에서 솔더 접합하여 파워 모듈을 제작하였다. 솔더 접합된 절연기판과 〒리전;;■간의 접합강도를 벗김강도 방식£로 측정하였으며 파단면을 관찰하여 파워 모듈의 솔더접 합 특성을 평 가하고 그 효용성에 대하여 토론하고자 한다.
최대하중이 200戏9_두 설정된 인장강도측정기에서 하부 지二는 인장시험기에 고정되고 상부의 클램프가 일정한 속도로 움직이게 하여 벗김강도를 측정하였다. 벗 긴강도 측정시 상부 捋램프의 이동속도는 분당 10剛로 설정하였다.
파워 모듈에 내장되는 대면적 전력반도체 소자의솔더 접합강도 및 솔더접합 득성을 평가하고자 벗김강도(peel strength)를 측정하고 二L 특성을 관찰하였다. 벗김강노 측정을 위한 파워모듈은 구리 베이스 판 (copper base plate) 을 놓고 위에 Pb95%~Sn5% 솔더, 알루미나 절연기판, 솔더, 그리고 구리 전극단자를 차례로 쌓은 다음 최고온도가 350℃로 맞추어진 리플로우 로(reflow furnace)에서 제작하였다.
4에서와 같이 인장강도 측정기의 상단과 하단에 각각 〒리 전渚단자와 구리 베이스판을 각각 물리어 인장응력을 가함으로써 강도를 측정하였다. 한편 파워 모듈의 베이스판을 인장강도측정기의 하단에 고정하기 위한 지二I■를 별도로 설계하여 제작하였다. 스테인레스 강을 사용하여 제작된 하단 지그는 파워 모듈의 구리 지 지 판이 쉽 게 끼 우I지 고 빠지도록 베이스판의 두께보다 0.

대상 데이터

사용된 솔더 재료는 납(Pb)-주석(Sn)계로서 납의함량이 95%인 것이었다. 알루미나 절연기판은 이른바 직 접접합 기판(DBC; direct bonded copper)과 Mo-Mn 금속접합기판(Mo-Mn metallized alumina)의 두 종류가 사용되었는데, 직 접접합 기판은 60x40mm의 크기로 알루미나의 양면에 두께 0.
95%인 것이었다. 알루미나 절연기판은 이른바 직 접접합 기판(DBC; direct bonded copper)과 Mo-Mn 금속접합기판(Mo-Mn metallized alumina)의 두 종류가 사용되었는데, 직 접접합 기판은 60x40mm의 크기로 알루미나의 양면에 두께 0.2㎜의 구리 박판을 직접 접합하여 표면을 두께 약 3㎛의 니켈로 도금한 것이며, Mo-Mn 금속접합기판은 알루미나의 양면을 Mo-Mn 층으로 금속화한 후 역시 표면을 니켈로 도금한 것이다. 결국 직 접접합기판이든 Mo-Mn 금속접합 기판이든 솔더와의 접합은 양쪽 표면의 니켈 노금층에서 이루어지도록하였다.
2와 같이 “ㄷ"자 형태로 子부려서 제작하였다. 제작된 전극단자느 두께(t) 0.5mm, 노이(h)는 강도 측정시 지그를 물릴 수 있는 충분한 길이 인 20顺 였으며, 솔더접합이 이루어지는 면적 (wi X 阵)은 lOxlOmrf 흑은 7×7㎜였고 솔더의 젖음 특성이 우수한 금(Au)으로 표면을 도금하였다.

성능/효과

A 및 B 시편의 파단면에 대한 EDX 분석을 행한결과 기공이 자리한 영역과 그렇지 않은 영역을 막론하고 솔더 성분인 Pb와 Sn만이 검출되었다. 이는 균열이 연성 솔더 (soft solder)인 Pb - Sn 층 내부를 따라 진 행되 었음을 의 叫하는 것 이 다.
EDX 분석 결과 :z림 7에 대한 분석결과와는 달리 림 8에서는 Pb, Sn이 검출되는 영역과 Mo, Mn, Ni이 검출되는 두 가지 영역이 존재함을 알 수 있었으며 두 영역 중에서도 Mo, Mn, Ni이 검출되는 영역이 거의 대부분을 차지하였다. 이는 Mo-Mn 금속화층의 Ni 도금 표면이 꺾 임강도 측정 과정에서 노출되었읍을 의 미 하는 것 으로, 솔더층과 Mo Mn 금속화층이 서로 박리되었기 때문에 나타난 현상으로 이해된다.
즉 〒리 전可단자의 도금이 불량하거나 구리 박판의 도금막이 불량한 경우, 혹은 솔더링시간이 과도하게 길어 솔더와 도금층 간에 반응이 일어난 경우, 흑은 솔더가 계면을 충분히 적시지(wetting) 못한 경우가 이런 경우에 해당될 수 있을 것이다. 결국 본 연구에서 파워모듈을 대상으로 실험 한 벗 김강도 측정 법은 다층 구조에서 가장 취약한 층 또는 계면을 밝혀낼 수 있는 매우 유용한 방법임을 알 수 있、었다.
따라서 이 경 우에 벗김강도는 솔더 합금의 종류, 솔더층 내부의 기포의 분포와 양에 의하여 결정될 수 있다. 둘째로 솔더 공정에서 오류가 발생하거나 또는 도금 표면이 불량한 경우로서 솔더층 내부가 아닌 다른 계면으로 균열이 진행될 수 있고 파단면의 관찰에서도 솔더층이 아닌 다른 물질이 관찰될 수 있으며, 이 경우의 벗김 강도는 솔더층의 강도보다는 현저히 낮을 가능성이 크다. 즉 〒리 전可단자의 도금이 불량하거나 구리 박판의 도금막이 불량한 경우, 혹은 솔더링시간이 과도하게 길어 솔더와 도금층 간에 반응이 일어난 경우, 흑은 솔더가 계면을 충분히 적시지(wetting) 못한 경우가 이런 경우에 해당될 수 있을 것이다.
또한 Ni 도급층에 대한 적정한 열처리는 Pb Sn솔더와 솔더접합대상 재료 간의 접합 강도를 증대시키는 것으로 나타났다. 이 러한 솔더접합 강도의향상은 Ni 도금층의 표면상태를 솔더 공정에 적합한 상태로 만들어 솔더와 도금층 계면의 접합강도를 이상적으로 유지하기 때문으로 생각된다.
5 kgf/cm로오차 범위 내에서 동일하였으나 솔더 접합 대상인 Ni 도금층의 열처리가 이루어지지 않은시편에서는 현저히 감소하였다. 벗김강노 파단면에 대한 전자현미경 및 원소분석 결과 접합강도가 높은 경우 균열면은 솔더층 내부를 따라 진행하였으며, 강도가 현저히 낮은 경우 솔더와 솔더접합 대상재료의 계면간을 따라 진행하는 것으로 관찰되었다. 이 와 같이 파워 모듈에 서 벗 김강도를 측 정 하는 방법은 솔더의 접합강도를 정량적으로 보여줌과 동시에 다층 구조의 파워 모듈에서 가장 취약한 재료 또는 계면을 검사할 수 있는 유용성을 가지는 것으로 요약할 수 있다.
제작된 파워모듈에서의 솔더접합 강도를 벗김강도법으로 측정하고 :1 결과를 二림 6에 나타내었다’ 二L림 6에서 A, B, C 시편의 叶분은 알루미나 설연기판의 접합방식과 工 표면의 니켈 도금증의 열처리 유무에 따른 것인데, A시편은 직 접접합 기판으로 Ni 도금 후 열처리되었으며, B시편은 Mo-Mn 금속접합기판으로 Ni 도금 후 역시 열처리되었으며, C시편은 Mo-Mn 금속접합기판으로 Ni 도급후열처 리되지 않은 것을 사용하여 솔더 링한 것이다. 그림 6에서 나타낸 Ni 도금 후 열처리를 행한 시편 (A, B 시 편)에 서 솔더 층의 벗 김강도는 각각 54.

후속연구

것이다.뿐만 아니라 일반적으료 30〜400航의 넓은 칩 면적을가지는 파워 모듈용 전력반도체에서는 표면실장 소자에 사용되는 기존의 전단응력에 의한 평가가 어려우므로 본 고에서 제시한 벗김강도 측정방법은 대면 적 칩의 솔더접합 득성을 평 가할 수 있는 좋은대안으로 기대된다.

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