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문제 정의
- 따라서 본 실험에서는 가속 환경 시험법의 한가지인 열싸이클 시험을 통해 무연 솔더가 적용된 자동차 전장부품의 몇 가지 부품을 선정하여 신뢰성 시험을 수행한 후, 유연 솔더 베이스의 시험 결과와 비교, 분석하여 최종적으로 무연 솔더가 적용된 자동차 부품의 신뢰성 평가를 검토하고자 하였다.
- 본 실험에서는 무연 솔더가 적용된 표면실장 부품이 접합된 기판의 신뢰성 평가를 하였고, 솔더는 기존의 Sn-37Pb와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 무연 솔더를 비교하여 무연 솔더의 신뢰성 문제를 분석하고자 하였다. 샘플링 시편은 불량요인이 가장 많은 것으로 판단되는 IC package 시편들로 하였다.
제안 방법
- 5Cu는 255℃에서 60초 동안 리플로우를 실시하였다. Package는 대표적인 표면 실장용인 SOP (Small Outline Package)로 하였고, Sn이 도금된 솔더가 젖어있는 리드의 단면을 관찰하고자 하였다. 이때 기판 내에서도 위치에 따른 차이가 있을 수도 있으므로 비슷한 형태의 시편 일지라도 두 개 이상 추출하여 분석하였다.
- 4〜5는 Sn-37Pb 솔더와 Cu 패드 사이의 접합부의 계면이 열충격 싸이클이 증가함에 따라 어떻게 변하는지를 나타내고 있다. 각 상의 보다 확실한 구분을 위하여 BSE (Back Scattered Electron) 모드로 미세조직을 관찰하였다. Fig.
- 리드와 Cu 패드에는 Sn이 도금되어 있었다. 각 열충격 단계에서의 시편은 먼저 외형(솔더 필렛)의 균열 여부를 조사하기 위하여 접사현미경으로 관찰하였고, 미세조직 및 금속간 화합물의 두께 측정을 위해 열충격 시험이 완료된 후, 시편을 클립에 끼워 세우고 에폭시로 마운팅 (mounting) 하였다. 다음에는 계면관찰을 위하여 알루미나 파우더 (alumina powder) 1 ㎛와 0.
- 3는 본 실험에서 사용한 샘플의 단면모식도를 나타낸 것이다. 그림을 보면 알 수 있듯이 실험에서 사용한 샘플에서는 두 군데의 접합부에서 반응 층이 생성되는데, 본 연구에서는 리드와 기판의 Cu 패드에 적용된 표면처리가 동일함을 감안하여 솔더와 기판의 Cu 패드 계면을 분석하였다. 리드와 Cu 패드에는 Sn이 도금되어 있었다.
- 5Cu 솔더의 열충격에 시험에 따른 솔더 접합부의 기계적인 특성변화를 알아보기 위해서 열충격 시험 후의 전단강도 변화를 나타낸 것이다. 기판의 한정된 수량 때문에 미세조직을 관찰한 동일한 시편의 평가는 하지 못하고, 같은 기판의 수동 소자들의 접합 강도를 평가함으로써 간접적인 비교가 이루어지도록 하였다.
- 각 열충격 단계에서의 시편은 먼저 외형(솔더 필렛)의 균열 여부를 조사하기 위하여 접사현미경으로 관찰하였고, 미세조직 및 금속간 화합물의 두께 측정을 위해 열충격 시험이 완료된 후, 시편을 클립에 끼워 세우고 에폭시로 마운팅 (mounting) 하였다. 다음에는 계면관찰을 위하여 알루미나 파우더 (alumina powder) 1 ㎛와 0.3 ㎛를 사용하여 폴리싱 (polishing)을 하였다. 열충격 시험 동안에 발생한 crack의 발생및 전파와 접합부 계면의 금속간 화합물의 성장 거동을 조사하기 위하여 모든 시편의 단면을 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy) 으로 관찰하였다.
- 각각의 시편에서 Cu 패드와 솔더의 계면을 따라 형성된 금속간 화합물 층을 따라 서로 다른 몇몇 부분에서 미세조직 사진을 얻어 평균 두께를 얻었다. 또한금속간 화합물의 성분 분석에 있어서 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 및 EPMA (Electron Micro-Probe Analysis) 분석을 수행하였다.
- 무연 솔더가 적용된 표면실장 부품들의 열충격에 따른 접합부의 기계적인 특성 변화를 알아보기 위하여 각각의 조건에서 열충격이 실시된 기판의 전단 시험을 수행하였다. 한정된 시편의 수량 때문에 미세조직이 관찰된 동일한 시편의 평가는 하지 못하고, 같은 기판의 수동 소자들의 접합강도를 평가함으로써 간접적인 비교가 이루어지도록 하였다.
- 본 연구에서는 기존의 Sn-37Pb 솔더와 무연 솔더가 적용된 몇 가지 부품군을 선정하여 신뢰성 시험을 수행한 후, 유연 솔더 접합부의 시험 결과와 비교, 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 3 ㎛를 사용하여 폴리싱 (polishing)을 하였다. 열충격 시험 동안에 발생한 crack의 발생및 전파와 접합부 계면의 금속간 화합물의 성장 거동을 조사하기 위하여 모든 시편의 단면을 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy) 으로 관찰하였다. 각각의 시편에서 Cu 패드와 솔더의 계면을 따라 형성된 금속간 화합물 층을 따라 서로 다른 몇몇 부분에서 미세조직 사진을 얻어 평균 두께를 얻었다.
- 열충격에 따른 솔더 접합부의 특성을 평가하기 위해 리플로우(reflow)가 완료된 시편을 가지고 Fig. 2과 같이 -40〜 125℃의 온도 조건에서 열충격 시험을 수행하였다. 저온(-40℃)과 고온(125℃)에서의 유지시간은 각각 29min으로 하였으며, 램핑 (ramping) 시간은 lmin으로 하였다.
- Package는 대표적인 표면 실장용인 SOP (Small Outline Package)로 하였고, Sn이 도금된 솔더가 젖어있는 리드의 단면을 관찰하고자 하였다. 이때 기판 내에서도 위치에 따른 차이가 있을 수도 있으므로 비슷한 형태의 시편 일지라도 두 개 이상 추출하여 분석하였다. 그림 1은 본 실험에서 사용한 부품들의 사진을 나타낸 것이다.
- 저온(-40℃)과 고온(125℃)에서의 유지시간은 각각 29min으로 하였으며, 램핑 (ramping) 시간은 lmin으로 하였다. 이러한 열싸이클 조건에서 700, 1000, 1250, 1500, 1750, 2000 싸이클의 열충격 시험후, 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy)으로 접합부의 균열 (crack) 유무와 계면에 생성된 금속 간 화합물의 두께를 조사하였다.
- 2과 같이 -40〜 125℃의 온도 조건에서 열충격 시험을 수행하였다. 저온(-40℃)과 고온(125℃)에서의 유지시간은 각각 29min으로 하였으며, 램핑 (ramping) 시간은 lmin으로 하였다. 이러한 열싸이클 조건에서 700, 1000, 1250, 1500, 1750, 2000 싸이클의 열충격 시험후, 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy)으로 접합부의 균열 (crack) 유무와 계면에 생성된 금속 간 화합물의 두께를 조사하였다.
- 한정된 시편의 수량 때문에 미세조직이 관찰된 동일한 시편의 평가는 하지 못하고, 같은 기판의 수동 소자들의 접합강도를 평가함으로써 간접적인 비교가 이루어지도록 하였다. 전단시험 대상 시편은 MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor) 로 하였으며 전단속도는 100㎛/s, 전단 높이는 20㎛ 고정하고 각각의 전단시험 조건에서 10회의 전단시험을 실시한 다음 평균값을 구하였다.
- 한정된 시편의 수량 때문에 미세조직이 관찰된 동일한 시편의 평가는 하지 못하고, 같은 기판의 수동 소자들의 접합강도를 평가함으로써 간접적인 비교가 이루어지도록 하였다. 전단시험 대상 시편은 MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor) 로 하였으며 전단속도는 100㎛/s, 전단 높이는 20㎛ 고정하고 각각의 전단시험 조건에서 10회의 전단시험을 실시한 다음 평균값을 구하였다.
대상 데이터
- 5Cu 무연 솔더를 비교하여 무연 솔더의 신뢰성 문제를 분석하고자 하였다. 샘플링 시편은 불량요인이 가장 많은 것으로 판단되는 IC package 시편들로 하였다. 리플로우는 Sn-37Pb는 220℃에서 60초, Sn3.
데이터처리
- 열충격 시험 동안에 발생한 crack의 발생및 전파와 접합부 계면의 금속간 화합물의 성장 거동을 조사하기 위하여 모든 시편의 단면을 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy) 으로 관찰하였다. 각각의 시편에서 Cu 패드와 솔더의 계면을 따라 형성된 금속간 화합물 층을 따라 서로 다른 몇몇 부분에서 미세조직 사진을 얻어 평균 두께를 얻었다. 또한금속간 화합물의 성분 분석에 있어서 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 및 EPMA (Electron Micro-Probe Analysis) 분석을 수행하였다.
성능/효과
- 1) Sn-37Pb 및 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와 Cu 패드 사이의 반응에서 계면에 생성된 금속간 화합물은 모두 솔더의 조성에 상관없이 CU6SI15로 확인되었다.
- 2) 열충격 횟수가 lOOOcycle까지 증가함에 따라 Sn-37Pb 솔더와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 모두 Cu기판과의 반응으로 생성된 계면의 금속간 화합물은 Cu6Sn5와 CikSn의 두층으로 확인되었고, 열충격 싸이클이 증가함에 따라 두 금속간 화합물 모두 두께가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 3) 초기에 생성된 금속간 화합물의 두께는 Sn- 3.0Ag-0.5Cu 솔더인 경우, Sn-37Pb 솔더인 경우보다 큰 것으로 나타났다. 이는 Sn-3.
- 4) Sn-37Pb 솔더와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 모두 열충격 싸이클이 진행됨에 따라 기계적인 특성이 열화되는 것을 확인 할 수 있었다. 기계적인 특성의 열화는 솔더 접합부 계면에 취약한 금속간 화합물 층의 두께의 성장 때문인 것으로 판단된다.
- 8 (b)는 열충격 싸이클이 진행되는 동안 금속간 화합물 Cu3Sn의 두께 변화를 나타낸 것이다. As- reflow 직후에 생성된 금속간 화합물은 모두 Cu6Sn5 로 확인 되었으며, 금속간 화합물 CikSn은 관찰 되지 않음을 확인하였다. 하지만 1000 싸이클까지 열충격을 실시한 후, 계면을 관찰한 결과 판상의 금속간 화합물 Cu3Sn이 약 1 ㎛ 정도 생성된 것을 확인 할 수 있었다.
- Fig. 9의 그래프를 보면 알 수 있듯이 MLCC 0603(0.6mm X 0.3mm)과 MLCC 0805(0.8mm x 0.5mm) 모두 Sn-37Pb 솔더보다 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더의 전단 강도 값이 10-15N 정도 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 일반적으로 Sn-Ag계 솔더의 경우에는 솔더 내 Ag3Sn과 0-Sn의 공정상을 형성한다.
- 5Cu 솔더 모두 초기에는 강도 값이 증가하다가 1000 싸이클 이후부터는 강도 값이 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. MLCC 0805의 경우도 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었고, Sn-3.0Ag-0.5Cu2] 경우에는 MLCC 0603과는 달리 700 싸이클 이후부터 강도 값이 급격하게 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 열충격 싸이클이 증가함에 따라 접합부의 계면에 brittle한 성질을 가진 금속간 화합물(CuSn계)이 성장함으로써 전단 강도 값에 영향을 준 것으로 사료된다.
- 솔더내의 Ag3Sn 입자의 분산강화 효과로 Sn-Pb보다 높은 강도값을 나타낸다. 그리고 MLCC 0603의 경우 Sn-37Pb 솔더와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 모두 초기에는 강도 값이 증가하다가 1000 싸이클 이후부터는 강도 값이 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. MLCC 0805의 경우도 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었고, Sn-3.
- 5Cu 솔더 모두 두께가 전반적으로 증가하는 것을 확인 할 수가 있었다. 그리고 Sn- 37Pb 솔더와 Cu기판 접합부에 생성된 금속간 화합물은 초기에는 무연 솔더에 비해 낮은 정도의 두께를 보였지만, 열충격이 증가함에 따라 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와 두께 성장이 비슷한 것을 확인 할 수 있었다. 초기 금속간 화합물 두께 차이는 Sn-37Pb 솔더가 Sn-3.
- 하지만 열충격 시험이 1000 싸이클까지 증가함에 따라 CU6&15층 밑에 얇은 plate 형태의 CtuSn층이 생성된 것을 확인할 수 있었다. 그리고 열충격 싸이클이 증가함에 따라 계면에 생성된 금속간 화합물 Cu6Sn5와 Cu3Sn 모두 두께가 증가하는 것도 확인할 수 있었다. 솔더의 내부조직은 밝은 부분의 Pb-rich상과 어두운부분의 Sn-rich상으로 이루어진 전형적인 공정 조직이 형성되었고, 이 또한 열충격 싸이클이 증가함에 따라 Sn-rich상과 Pb-rich상이 조대화 되는 것을 확인할 수 있었다.
- 이러한 결과를 통하여 계면에 생성된 금속간 화합물의 동향을 정리해보면, 첫째로 reflow직후에 계면에 생성된 금속간 화합물의 조성은 솔더의 조성, 표면처리 방법 등에 무관하게 모두 Cu6Sn5 였다. 둘째로 1000 싸이클까지 열충격 싸이클이 진행됨에 따라 금속 간 화합물 CuaSn이 추가적으로 생성되었고, 이들의 두께는 열충격 싸이클이 증가함에 따라 모든 경우에서 증가하였다. 셋째로 초기에 생성된 금속간 화합물 층의 두께는 무연 솔더의 경우가 유연 솔더 보다 큰 것으로 나타났다.
- 5Cu 솔더의 전단 강도 값이 1000 싸이클에서 급격하게 감소하는 이유가 열충격 횟수의 증가에 따른 금속간 화합물 (CuSn계)의 성장으로 일부 취성파괴가 일어남으로써 전단 강도 값에 영향을 준 것으로 사료된다. 따라서 취성파괴 현상은 상대적으로 솔더에 비해 brittle한 성질을 가진 금속간 화합물의 두께 성장에 의한 것으로 판단되며, 금속간 화합물의 두께가 증가할수록 접합부의 신뢰성에 악영향을 미친다는 것을 확인 할 수 있었다.
- 5Cu 솔더의 전단 시험 후의 파면을 찍은 SEM 사진이다. 사진을 보면 알 수 있듯이 Sn-37Pb 솔더와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 모두 reflow 직후(a, d)에서는 솔더 파괴가 일어난 것을 확인 할 수 있었지만, 열충격 싸이클이 증가함에 따라서 Cu와 Sn의 상호 확산으로 금속간 화합물(Cu6Sn5)이 성장함으로써 1000싸이클 이후부터는 파괴의 형태가 취성파괴 모드로 변하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 5는 Sn-37Pb 솔더와 Cu 패드 사이의 계면을 확대한 사진이다. 사진을 보면 알 수 있듯이 리플로우 직후에는 Sn-37Pb 솔더와 Cu 패드 사이의 계면에는 모두 금속간 화합물 Cutins가 형성되었음을 알 수 있었다. 하지만 열충격 시험이 1000 싸이클까지 증가함에 따라 CU6&15층 밑에 얇은 plate 형태의 CtuSn층이 생성된 것을 확인할 수 있었다.
- 둘째로 1000 싸이클까지 열충격 싸이클이 진행됨에 따라 금속 간 화합물 CuaSn이 추가적으로 생성되었고, 이들의 두께는 열충격 싸이클이 증가함에 따라 모든 경우에서 증가하였다. 셋째로 초기에 생성된 금속간 화합물 층의 두께는 무연 솔더의 경우가 유연 솔더 보다 큰 것으로 나타났다. 이는 무연 솔더 내에 반응에 참여하는 Sn의 양이 상대적으로 유연 솔더 보다 많고, 유연 솔더가 무연 솔더에 비해 상대적으로 저온에서 리플로우 되기 때문인 것으로 사료된다.
- 그리고 열충격 싸이클이 증가함에 따라 계면에 생성된 금속간 화합물 Cu6Sn5와 Cu3Sn 모두 두께가 증가하는 것도 확인할 수 있었다. 솔더의 내부조직은 밝은 부분의 Pb-rich상과 어두운부분의 Sn-rich상으로 이루어진 전형적인 공정 조직이 형성되었고, 이 또한 열충격 싸이클이 증가함에 따라 Sn-rich상과 Pb-rich상이 조대화 되는 것을 확인할 수 있었다.
- 열충격 횟수가 증가함에따라 계면에 생성된 금속간 화합물 (Cu6Sn5, Cu3Sn)은 모두 그 두께가 증가하는 것을 확인 하였다. 솔더조직은 대부분 Sn-rich상으로 이루어진 것을 확인 할 수 있었으며, Ag3Sn 금속간 화합물이 분산되어 있는것을 확인되었다.
- 그림에서 보는 바와 같이 Sn-37Pb 솔더와 마찬가지로 초기 리플로우시 계면에는 금속간 화합물 Cu6Sn5만 형성되는 것을 확인 할 수 있었고, 1000 싸이클 후에는 Cu6Sri5층 밑에 얇은 층의 Cu3Sn 금속간 화합물이 형성된 것을 확인 할 수 있었다. 열충격 횟수가 증가함에따라 계면에 생성된 금속간 화합물 (Cu6Sn5, Cu3Sn)은 모두 그 두께가 증가하는 것을 확인 하였다. 솔더조직은 대부분 Sn-rich상으로 이루어진 것을 확인 할 수 있었으며, Ag3Sn 금속간 화합물이 분산되어 있는것을 확인되었다.
- 5Cu 솔더 모두 열충격 싸이클이 증가함에 따라 계면에 생성된 금속간 화합물의 두께도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 통하여 계면에 생성된 금속간 화합물의 동향을 정리해보면, 첫째로 reflow직후에 계면에 생성된 금속간 화합물의 조성은 솔더의 조성, 표면처리 방법 등에 무관하게 모두 Cu6Sn5 였다. 둘째로 1000 싸이클까지 열충격 싸이클이 진행됨에 따라 금속 간 화합물 CuaSn이 추가적으로 생성되었고, 이들의 두께는 열충격 싸이클이 증가함에 따라 모든 경우에서 증가하였다.
- 하지만 1000 싸이클까지 열충격을 실시한 후, 계면을 관찰한 결과 판상의 금속간 화합물 Cu3Sn이 약 1 ㎛ 정도 생성된 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 경향은 유연이나 무연 솔더에 상관없이 거의 유사한 경향을 보이는 것을 확인 할 수 있었으며, 금속간 화합물 CuaSn도 Cu6Sn5와 마찬가지로 열충격 횟수가 증가함에 따라 미세하게 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 초기에 생성된 금속간 화합물의 두께는 조금 차이가 있지만 대체적으로 Sn-37Pb와 Sn-3.
- 이러한 경향은 유연이나 무연 솔더에 상관없이 거의 유사한 경향을 보이는 것을 확인 할 수 있었으며, 금속간 화합물 CuaSn도 Cu6Sn5와 마찬가지로 열충격 횟수가 증가함에 따라 미세하게 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 초기에 생성된 금속간 화합물의 두께는 조금 차이가 있지만 대체적으로 Sn-37Pb와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 모두 열충격 싸이클이 증가함에 따라 계면에 생성된 금속간 화합물의 두께도 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 통하여 계면에 생성된 금속간 화합물의 동향을 정리해보면, 첫째로 reflow직후에 계면에 생성된 금속간 화합물의 조성은 솔더의 조성, 표면처리 방법 등에 무관하게 모두 Cu6Sn5 였다.
- As- reflow 직후에 생성된 금속간 화합물은 모두 Cu6Sn5 로 확인 되었으며, 금속간 화합물 CikSn은 관찰 되지 않음을 확인하였다. 하지만 1000 싸이클까지 열충격을 실시한 후, 계면을 관찰한 결과 판상의 금속간 화합물 Cu3Sn이 약 1 ㎛ 정도 생성된 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 경향은 유연이나 무연 솔더에 상관없이 거의 유사한 경향을 보이는 것을 확인 할 수 있었으며, 금속간 화합물 CuaSn도 Cu6Sn5와 마찬가지로 열충격 횟수가 증가함에 따라 미세하게 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
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