Since lead (Pb)-free solders for electronics have higher melting points than that of eutectic Sn-Pb solder, they need higher soldering temperatures. In order to decrease the soldering temperature we tried to coat Sn-Bi layer on $Sn-3.5\%Ag$ solder by electroplating, which applies the mech...
Since lead (Pb)-free solders for electronics have higher melting points than that of eutectic Sn-Pb solder, they need higher soldering temperatures. In order to decrease the soldering temperature we tried to coat Sn-Bi layer on $Sn-3.5\%Ag$ solder by electroplating, which applies the mechanism of transient liquid phase bonding to soldering. During heating Bi will diffuse into the $Sn-3.5\%Ag$ solder and this results in decreasing soldering temperature. As bonding samples, the 1608 capacitor electroplated with Sn, and PCB, its surface was finished with electroless-plated Ni/Au, were selected. The $Sn-95.7\%Bi$ coated Sn-3.5Ag was supplied as a solder between the capacitor and PCB land. The samples were reflowed at $220^{\circ}C$, which was lower than that of normal reflow temperature, $240\~250^{\circ}C$, for the Pb-free. As experimental result, the joint of $Sn-95.7\%Bi$ coated Sn-3.5Ag showed high shear strength. In the as-reflowed state, the shear strength of the coated solder showed 58.8N, whereas those of commercial ones were 37.2N (Sn-37Pb), 31.4N (Sn-3Ag-0.5Cu), and 40.2N (Sn-8Zn-3Bi). After thermal shock of 1000 cycles between $-40^{\circ}C$ and $+125^{\circ}C$, shear strength of the coated solder showed 56.8N, whereas the previous commercial solders were in the range of 32.3N and 45.1N. As the microstructures, in the solder $Ag_3Sn$ intermetallic compound (IMC), and along the bonded interface $Ni_3Sn_4$ IMC were observed.
Since lead (Pb)-free solders for electronics have higher melting points than that of eutectic Sn-Pb solder, they need higher soldering temperatures. In order to decrease the soldering temperature we tried to coat Sn-Bi layer on $Sn-3.5\%Ag$ solder by electroplating, which applies the mechanism of transient liquid phase bonding to soldering. During heating Bi will diffuse into the $Sn-3.5\%Ag$ solder and this results in decreasing soldering temperature. As bonding samples, the 1608 capacitor electroplated with Sn, and PCB, its surface was finished with electroless-plated Ni/Au, were selected. The $Sn-95.7\%Bi$ coated Sn-3.5Ag was supplied as a solder between the capacitor and PCB land. The samples were reflowed at $220^{\circ}C$, which was lower than that of normal reflow temperature, $240\~250^{\circ}C$, for the Pb-free. As experimental result, the joint of $Sn-95.7\%Bi$ coated Sn-3.5Ag showed high shear strength. In the as-reflowed state, the shear strength of the coated solder showed 58.8N, whereas those of commercial ones were 37.2N (Sn-37Pb), 31.4N (Sn-3Ag-0.5Cu), and 40.2N (Sn-8Zn-3Bi). After thermal shock of 1000 cycles between $-40^{\circ}C$ and $+125^{\circ}C$, shear strength of the coated solder showed 56.8N, whereas the previous commercial solders were in the range of 32.3N and 45.1N. As the microstructures, in the solder $Ag_3Sn$ intermetallic compound (IMC), and along the bonded interface $Ni_3Sn_4$ IMC were observed.
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문제 정의
본 연구에서는 신뢰성이 우수한 Sn-Ag계 솔더의 장점을 활용하면서, 이 솔더의 단점인 높은 솔더링 온도를 낮추고자 하는 방안을 강구하고자 하였다. 한편, 무연 솔더 중 융점이 낮은 것으로 Sn-58%Bi를 들 수 있는데, 이 솔더의 융점은 138 °C 정도이다.
5Ag 솔더의 일반적인 솔더링 온도(250°C)보다 낮은 220°C에서 솔더링이 가능한 지를 캐패시터(capacitor) 솔더링에 대해 적용, 조사하였다. 저자들은 솔더볼에 대한 연구 결과를 발표한 바 있으나6), 본 연구에서는 표면실장에서 보다 일반적인 부품인 캐패시터 (capacitor)에 대한 적용 특성을 평가하고자 하였다.
제안 방법
따라서, 본 연구에서는 Sn-3.5%Ag를 코어(core) 솔더로 하고, 융점이 낮은 Sn-Bi계 솔더를 Sn-3.5%Ag의 표면 도금층으로 사용하여, Sn-3.5%Ag의 솔더링 온도를 낮추는 방법을 시도하였다. Sn-Bi를 표면 도금 층으로 사용하는 방법은 천이 액상확산접합 (Transient Liquid Phase bonding)의 접합 개념을 솔더에 적용한 것으로서, 이를 이용한 솔더 개발에 관한 연구들이 이미 시작되고 있다.
본 연구에서는 고융점의 Sn-3.5Ag 솔더에 Sn-Bi를 도금한 솔더를 사용하여, Sn-3.5Ag 솔더의 일반적인 솔더링 온도(250°C)보다 낮은 220°C에서 솔더링이 가능한 지를 캐패시터(capacitor) 솔더링에 대해 적용, 조사하였다. 저자들은 솔더볼에 대한 연구 결과를 발표한 바 있으나6), 본 연구에서는 표면실장에서 보다 일반적인 부품인 캐패시터 (capacitor)에 대한 적용 특성을 평가하고자 하였다.
Sn-Bi로 도금된 Sn3.5Ag의 솔더링 후 최종 조성은 Sn-Bi 도금층의 두께 및 조성에 의해 결정되므 로, 도금층의 두께 및 조성 변화를 검토하기 위 해 전류밀도는 2A/dm2, 4A/dm2, 도금시간은 각각 1, 2, 3min 범위에서 변화시켰다. 전해도금 후 도금층의 조성은 EPMA (Electron Probe Micro Analysis)를 사용하여 분석하였다.
솔더링부의 신뢰성을 평가하기 위해 초기전단 강도 평가 및 열충격 시험을 행하였으며, 열충격 시험시 온도 변화는 -40°C/+125°C, 열충격 횟수는 1000회 (cycles)까지 실시하였다. 솔더링 및 열충격 시험후 접합부의 단면을 연마한 후, SEM (Scanning Electron Microscopy) , EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), EPMA 를 사용하여 분석하였다.
솔더링부의 신뢰성을 평가하기 위해 초기전단 강도 평가 및 열충격 시험을 행하였으며, 열충격 시험시 온도 변화는 -40°C/+125°C, 열충격 횟수는 1000회 (cycles)까지 실시하였다. 솔더링 및 열충격 시험후 접합부의 단면을 연마한 후, SEM (Scanning Electron Microscopy) , EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), EPMA 를 사용하여 분석하였다. 또한, 전단시험기를 사용하여 열충격 시험편의 접합강도를 측정하였는데, 전단 시험속도는 200um/s, 전단 높이는 10um로 하였다.
솔더링 및 열충격 시험후 접합부의 단면을 연마한 후, SEM (Scanning Electron Microscopy) , EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), EPMA 를 사용하여 분석하였다. 또한, 전단시험기를 사용하여 열충격 시험편의 접합강도를 측정하였는데, 전단 시험속도는 200um/s, 전단 높이는 10um로 하였다.
본 실험 솔더에 대하여, 두께 100例의 Sn-3.5Ag에 도금된 Sn-Bi의 조성 및 두께를 고려하여 솔더링 후 최종 솔더 조성에 존재하는 실제 Bi 양은 도금층에 존재하는 Bi양을 최종 솔더 부피로 나누어 계산하였다. 그 결과 전체 솔더 중 Bi 함량은 2-4wt% 로 계산되었 다.
무연 솔더의 솔더링 온도를 낮추기 위한 방안으로 Sn-3.5Ag 솔더 박판에 Sn-(80.5% 및 97.5%)Bi를 도금한 솔더를 제조하였다. 도금 솔더는 리플로우 가열 중 Bi가 Sn-3.
대상 데이터
2에 나타내었다. 음극은 Sn-3.5Ag 솔 더를 두께 100um로 압연하여 사용하였으며, 양극은 도 금 중 도금액 내에서 SnO2 산화물 석출에 의한 Sn2 + 이온의 소모를 보상하기 위하여 Sn 판재를 사용하였다. Sn-3.
도금된 솔더는 플럭스를 도포한 후, 기판의 금속 패드와 1608 캐패시터(apacitor) 사이에 삽입하여 접합 솔더로 사용하였다. 이때 실험에 사용된 기판은 FR-4 재질의 단면 기판이며, 패드부의 금속 다층막은 Cu (두께 35um) 위에 무전해 도금방식으로 Ni(5um)/ Au (0.3um)층을 형성한 것이다. 캐패시터(capacitor) 부 품의 전극부는 Ni (두께 5um) 하지층 위에 Sn을 3~5/um 두께로 도금한 것이며, 캐패시터의 크기는 1.
3um)층을 형성한 것이다. 캐패시터(capacitor) 부 품의 전극부는 Ni (두께 5um) 하지층 위에 Sn을 3~5/um 두께로 도금한 것이며, 캐패시터의 크기는 1.6x0.8x 0.8mm (소위, 1608)이다. 상용의 열풍 리플로우를 사용하여 시편을 솔더링하였으며, 최고 리플로우 온도는 일반적인 무연 솔더의 리플로우 온도보다 약 30°C 정도 낮은 220°C이고, 이 온도에서 약 45sec.
5%Cu, Sn-8%Zn-3%Bi 페이스트를 사용하였다. 솔더 페이스트는 스텐실 두께 150um, 홀(hole) 크기 0.7x0.9mm의 스텐실에 프린트하여 사용하였다.
3%Bi로서, 4A/dm2에서 3분간 도금한 것이다. 상용의 솔더 페이스트의 조성은 Sn-37%Pb, Sn-3.0%Ag-0.5%Cu, Sn-8%Zn-3%Bi 이다. Fig.
데이터처리
이 상은 솔더링부의 열피 로 특성이나 시효 등의 신뢰성에 악영향을 미치고 따라서, 솔더링부의 기계적성질을 결정하는 중요한 요인으로 작용한다6). 본 도금 솔더를 사용한 접합부에서 솔더 내부와 접합계면의 금속간 화합물층에서의 Bi상 의 생성 여부를 좀 더 자세히 알아보기 위하여, EPMA 를 사용하여 솔더 및 접합계면에 대해 면분석(Area Analysis)을 실시하였다 (Fig. 7 참조). 분석결과에서 보듯이, 솔더 내부 및 계면의 금속간화합물에서 독립적 인 Bi 상은 관찰되지 않았다.
이론/모형
5Ag의 솔더링 후 최종 조성은 Sn-Bi 도금층의 두께 및 조성에 의해 결정되므 로, 도금층의 두께 및 조성 변화를 검토하기 위 해 전류밀도는 2A/dm2, 4A/dm2, 도금시간은 각각 1, 2, 3min 범위에서 변화시켰다. 전해도금 후 도금층의 조성은 EPMA (Electron Probe Micro Analysis)를 사용하여 분석하였다.
성능/효과
이상의 천이 액상확산접합 개념에서 짐작할 수 있듯이, 도금층은 고상선인 138°C에서 용융되기 시작하여, 천이액상확산 접합의 메카니즘에 의해 가열 중 Bi가 코어 솔더로 확산되면서, Bi의 함량이 공정조성인 58%에 도달한 부분은 138°C 부근에서 용융되기 시작한다. 즉, 솔더의 Bi는 농도차에 의해 Sn-3.
도금 전류밀도가 도금층의 조성에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 전류밀도 ZA/dm% 4A/dm2 에서 Sn-3.5Ag 압연 솔더에 Sn-Bi를 도금한 후, 도금층의 조성을 EPMA를 사용하여 분석한 결과를 Table 2에 나티내었다 분석 결과 2A/dm2에서는 4.3wt%Snr95.7wt%B, 4A/dm2에서는 19.7wt%Sn-80.3wt%Bi의 조성을 얻을 수 있었다. 이러한 결과는 저전류 밀도영역에서 용이하게 도금되는 Bi의 특성과, 전류밀도가 높아질수록 용이하게 도금되는 Sn의 분극 전위의 차이6)때문에 생기는 결과라고 사료된다.
4에 나타낸 결과는 전류밀도 2mA/dm2 일 때, Sn-Bi 도금층의 도금시간에 따른 두께 변화를 측정한 것이다. 그림에서 보듯이 도금시간을 1, 5, lOmin으로 증가시킴에 따라 도금두께도 1.29, 3.3, 6.93 로 증가되는 결과를 얻을 수 있었다.
7 참조). 분석결과에서 보듯이, 솔더 내부 및 계면의 금속간화합물에서 독립적 인 Bi 상은 관찰되지 않았다.
8wt% 정도 고용된다. 따라서, 본 실험에서 사용된 솔더내의 Bi 함량은 Sn내의 고용량보다 적은 양이므로, Sn 기지에 고용된 것으로 판단된다.
5Ag 솔더 계면을 포함한 전체 솔더 표면부에 액상의 생성량이 증가 하게 될 것이다. 전체 솔더 표면에 액상의 양이 상대적으로 증가하고, 양호한 젖음성에 의해 용융솔더와 기판의 Ni층의 접촉이 커지면, Ni이 Sn 으로 용해 및 확산이 용이해져서 NisSrn 금속간 화합물의 두께가 더욱 증가 할 것으로 판단된다.
2N)으로 측정되었다. 이 결과로 부터 Sn-Bi도금 Sn-3.5Ag 솔더를 사용한 경우에도 상용화 페이스트를 사용한 경우처럼 우수한 강도를 나타내는 것을 확인하였다.
비슷하게 유지되었다. 1000회 시험 후 Sn- Bi 도금 Sn-3.5Ag솔더의 강도는 56.8N이고, 그 다음으로 Sn-8%Zn-3%Bi (약 45.IN), Sn-3.0%Ag-0.5%Cu와 Sn-37%Pb는 유사한 강도(32.3〜34.3N)를 보였다.
파단이 솔더부에서 일어난 것은 접합부의 특성이 양호함을 의미하며, 일부 커패시터의 Ni 전극 기지에서 일어난 파괴는 접합부 강도가 충분하다는 것을 의미한 다. 각 파면을 더욱 확대하여 관찰한 결과, 전단 치구 의 흔적 사이로 일부 딤플 파단 형상을 관찰할 수 있었는데, Sn-Bi 도금된 솔더의 솔더링 후 최종 조성에 존재하는 Bi 함량이 2-4wt% 정도이었다. 상온에서 Bi는 Sn에 는 4.
8wt% 정도 고용되는데, 본 실험에서 최종 조성 2-4wt%Bi는 취성을 가진 Bi상을 독립적으로 생성된 것이 관찰되지 않았기 때문에, 2-4wt%Bi 량이 취성파괴를 유발할 정도는 아닌 것으로 판단된다. 또한, 각 파단면의 3곳에 대해 EDS로 성분분석을 실시한 결과 (Table 3 참조), 파면에서의 Bi 함량은 1% 미만으로 Bi가 파단면에 다량 관찰되지 않은 점으로부 터, Bi는 접합부 파단에 영향을 거의 미치지 않은 것으로 판단된다.
1) SnBi층의 전해도금에서 전류밀도 2A/dm2일 때 Sn-95.7%Bi, 4A/dm2일 때 Sn-80.3%Bi의 조성을 얻었으며, 도금시간이 증가함에 따라서 도금 두께도 증 가하였다.
2) Sn-97.5%Bi 조성의 3min간 도금한 Sn-3.5Ag 솔더를 사용하여, 220°C에서 커패시터를 리플로우 한 결과 가장 양호한 솔더링부를 얻을 수 있었다.
3) Sn-(80.5% 및 97.5%)Bi 도금된 Sn-3.5Ag 솔더 내부에는 라운드 상이나 막대상의 AgaSn이 존재하였으며, 접합계면에는 Ni3Sn4 금속간 화합물이 형성되었다. 도금시간이 증가된 경우, 금속간 화합물의 두께가 증가하는 경향을 나타내었다.
도금시간이 증가된 경우, 금속간 화합물의 두께가 증가하는 경향을 나타내었다. 솔더링부 단면에 면분 석을 행한 결과, 독립적인 Bi 정출상은 관찰되지 않았는데, 솔더링 후 Bi 함량이 Sn의 고용도 이하이므로 대부분 Sn 기지에 고용된 것으로 판단된다.
4) -40°C/+125°C의 조건에서 1000회까지 열충격 시험을 행한 후 도금 솔더의 강도를 비교한 결과, 초기 전단 강도 평균 59N 및 열충격 1000회 후 평균 약 57N으로 도금된 솔더는 우수한 강도를 나타내었다.
참고문헌 (17)
J. Glazer. J. Elec. Mater.. 23-8 (1994), 673
W.J. Plumbirdge et al.. J. Elec. Mater.. 30. (2001) 1178
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