[논문]금속 이온 마이그레이션의 해석적 방법

홍원식; 정승부; 김광배

문제 정의

전자제품에 새로운 재료인 무연 솔더가 사용됨 에 따라 사용 환경에서의 이온 마이그레이션에 대한 새 로운 평가가 이루어져야 한다. 따라서 이온 마이그레이 션에 대한 발생 메커니즘, 발생환경 그리고 신뢰성평가 를 위한 시험방법에 대해 알아보고, 실제 시험한 결과 를 바탕으로 도금재료에 따른 이온 마이그레이션 민감 도에 대한 해석적 방법에 대해 소개하고자 한다.
전자제품 PCB에서 발생되는 이온 마이그레이션 현 상에 대한 기본적인 정의와 발생 메커니즘을 소개하였 으며, 신뢰성평가를 위한 시험방법에 대한 조사하였다. 이온 마이그레이션에 대한 민감도를 평가하기 위한 시 험방법으로 물방울시험과 항온항습시험에 대한 국제규 격 및 제조사별 규격을 검토하였으며, 이를 기초로 가 장 일반적으로 사용되고 있는 물방울시험에 대한 시험 사례를 소개하였다.

제안 방법

5V를 인가하였 다. 마이그레이션 발생 후 고장 판단기준은 하나의 도체에서 수지상의 필라멘트가 발생하여 인접한 도체에 도달하여 접촉되는 시간을 마이그레이션 발생시간으로 규정하였고, 육안검사 및 절연저항을 측정하였다.
물방울시험 조건은 상온조건(25°C, 30〜60%RH)에 서 시험하였으며, 인가전압은 15V, 6.5V를 인가하였 다. 마이그레이션 발생 후 고장 판단기준은 하나의 도체에서 수지상의 필라멘트가 발생하여 인접한 도체에 도달하여 접촉되는 시간을 마이그레이션 발생시간으로 규정하였고, 육안검사 및 절연저항을 측정하였다.
이온 마이그레이션에 대한 민감도를 평가하기 위한 시 험방법으로 물방울시험과 항온항습시험에 대한 국제규 격 및 제조사별 규격을 검토하였으며, 이를 기초로 가 장 일반적으로 사용되고 있는 물방울시험에 대한 시험 사례를 소개하였다. 물방울시험에서는 도체 거리, 재료 및 인가전압에 따른 이온 마이그레이션 발생속도를 조 사하였다. 그 결과 물방울시험이 타 시험방법에 비해 가혹한 조건으로 수지상의 성장을 단시간에 관찰하는데 유용하다는 것을 알 수 있었다.
물방울시험을 이용한 이온 마이그레이션 실험은 0.5,1.0, 2.0 mm의 패턴간격에 Cu, SnPb, Au 3종류로 표면처리된 도체 간에 각각 6.5V와 15V의 인가전압을 인가하여 음극에서 발생한 수지상이 양극의 도체까지 도달되는 시간을 측정하였으며, 측정결과는 다음 Fig. 4, Fig. 5와 같다. 시험 전 도체간의 절연저항은 200 MΩ이상을 나타냈으나, 시험 후 측정한 결과 모든 패턴 이 OMQ으로 패턴 간 완전 단선(short)이 발생한 것을 알 수 있었다.
실제 이온 마이그레이션의 민감도를 평가하기 위해 PCB의 표면 도금재료를 SnPb, Cu, Au로 도금한 후 물방울시험 방법을 사용하여 실험한 사례를 보도록 하 겠다.
전자제품 PCB에서 발생되는 이온 마이그레이션 현 상에 대한 기본적인 정의와 발생 메커니즘을 소개하였 으며, 신뢰성평가를 위한 시험방법에 대한 조사하였다. 이온 마이그레이션에 대한 민감도를 평가하기 위한 시 험방법으로 물방울시험과 항온항습시험에 대한 국제규 격 및 제조사별 규격을 검토하였으며, 이를 기초로 가 장 일반적으로 사용되고 있는 물방울시험에 대한 시험 사례를 소개하였다. 물방울시험에서는 도체 거리, 재료 및 인가전압에 따른 이온 마이그레이션 발생속도를 조 사하였다.

대상 데이터

도체간 절연저항은 200MQ 이상이 되도록 하 였고, 패턴은 IPC。에서 추천하는 빗살무늬 콤 패턴 (Comb Pattern)을 사용하였다. 도체간 거리는 0.5mm,1.0mm, 2.0mm의 3가지로 제작하였으며, 도체 표면 은 Cu(loz), SnPb(공정솔더, 5㎛이상), Au(100wt%, 0.2〜0.5㎛이상) 전기도금하여 Fig. 3과 같이 제작하 였다.
본 시험을 위해 Glass/Epoxy계 FR-4 PCB를 사용 하였으며, 도체부분을 제외한 부분은 표면 절연코팅을 하였다. 도체간 절연저항은 200MQ 이상이 되도록 하 였고, 패턴은 IPC。에서 추천하는 빗살무늬 콤 패턴 (Comb Pattern)을 사용하였다.

이론/모형

DuPont에서 제안한 시험방법으로 일렉트로 마이그 레이션에 대한 저항성 평가방법이지만 실제 시험은 LPC에서 제안하는 시험방법을 일부 적용하고 있다.
Siemens-Stromberg-Carlson Electromigration Test/PCK Electromigration Test의 시험방법으로 항온항습시험기를 이용한 시험이다. IPC에서 제안한 500시간, 10V의 인가전압을 적용하고 있다.
UNISYS의 일렉트로 마이그레이션 시험방법으로 표 면의 저항을 측정한다. IPC에서 제안한 인가전압보다 낮은 조건에서 시험하며, 시험시간도 이보다 짧다.

성능/효과

0mm인 경우 Cu(ll분), SnPb(13분), Au(34분)의 순으로 발생하였다. 결과적 으로 볼 때 6.5V의 인가전압에서는 Cu 도체가 대체적 으로 가장 빠르게 마이그레이션이 발생하였으며, 다음 으로 SnPb, Au 순으로 발생하였다. 그러나 Cu와 SnPb의 발생시간은 대체적으로 근사한 값을 보였다.
8은 SnPb와 Au 시료에서 발생한 이온 마이그레 이션 사진이다. 결과적으로 Cu의 경우 인가전압에 따라 성장길이와 시간에는 많은 차이가 나타나지 않았으 나, SnPb, Au에서는 1.0mm 이상 성장하는 경우 인 가전압이 높을수록 빠르게 성장함으로 알 수 있다. 또 한 수지상의 금속 필라멘트가 음극에서 양극방향으로 성장하며, 그에 따라 양극 표면재료는 소모되어 가는 것을 알 수 있고 이는 도체간의 전기화학적 반응에 의 해 수지상이 성장한다는 이론과 잘 일치함을 알 수 있다.
물방울시험에서는 도체 거리, 재료 및 인가전압에 따른 이온 마이그레이션 발생속도를 조 사하였다. 그 결과 물방울시험이 타 시험방법에 비해 가혹한 조건으로 수지상의 성장을 단시간에 관찰하는데 유용하다는 것을 알 수 있었다. 동일한 시험을 환경시 험용 항온항습시험 장비를 이용하여 하는 경우 수지상 의 성장속도는 물방울 시험과 장시간에 걸친 습도시험 사이에 4 order(l, 000배)의 성장속도 차가 발생한다는 보고도 있다.
0mm 이상) 발생시간의 차이를 명확히 구분할 수 있었다. 또한 인 가전압이 15V인 경우 수지상의 석출 반응속도가 증가 됨에 따라 도체간격과 도체재료에 따른 발생시간의 차 이는 작았으며, 인가전압이 높은 경우 수지상의 초기 발생에는 큰 차이가 없지만 수지상이 발생한 후 성장하 는데 큰 영향을 미치는 것으로 보인다. 결국 수지상의 형성 초기에는 재료의 평형전위 값이 발생속도를 좌우 하지만, 수지상이 1.
5와 같다. 시험 전 도체간의 절연저항은 200 MΩ이상을 나타냈으나, 시험 후 측정한 결과 모든 패턴 이 OMQ으로 패턴 간 완전 단선(short)이 발생한 것을 알 수 있었다. 이 결과를 볼 때 도체간 거리가 0.
여러 가지 제안된 실험방법을 비교해 볼 때 이온 마 이그레이션 성장을 관찰하기 위해서는 연속적으로 누설 전류 측정이 바람직하며, 반드시 인간전압과 수분이 존 재해야 함을 알 수 있다. 최근에는 시험조건을 더욱 가 속시키기 위해 5°C, 60%RH o 25°C, 90%RH와 같 은 Dew condensation 시험도 진행되고 있다.
시험 전 도체간의 절연저항은 200 MΩ이상을 나타냈으나, 시험 후 측정한 결과 모든 패턴 이 OMQ으로 패턴 간 완전 단선(short)이 발생한 것을 알 수 있었다. 이 결과를 볼 때 도체간 거리가 0.5mm 인 경우 Cu(1.0분), SnPb(l.l분), Au(2.7분)의 순 으로 발생하였으며, 도체간 거리가 1.0mm인 경우 SnPb(1.23분), Cu(2.17), Au(2.7분)의 순으로 발생하였고, 도체간 거리가 2.0mm인 경우 Cu(ll분), SnPb(13분), Au(34분)의 순으로 발생하였다. 결과적 으로 볼 때 6.

후속연구

최근 선진각국의 친환경 정책에 따라 대다수 전자업체 가 무연솔더를 적용하여 제품을 생산하고 있으나, 일부 전자업체를 제외하고는 무연화 적용 제품에 대한 명확 한 신뢰성평가 방안이 제시되고 있지 않다. 따라서 본 지에서 소개한 이론과 실험 사례에 대한 연구내용이 무 연 솔더를 적용한 전자제품의 이온 마이그레이션 특성 평가 및 신뢰성평가 측면에서 기여하기를 바란다.

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