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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.
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