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문제 정의
- 볼(ball), 와이어 (wire), 페 이 스트 (paste) 및 바솔더 (bar solder) 모두 국내에선 규격이 체계적으로 표준화되지 않고 있어 각각의 형상에 따른 솔더 소재들에 대한 규격화가 필요하다. 본 연구에서는 솔더바 규격화 시험 에서 국내산 바 솔더를 사용하여 품질을 테스트하고, 해외의 규격 항목을 참고하여 국내 규격의 표준을 설정하기 위한 최적의 조건을 구하는데 그 목적이 있다.
가설 설정
- JIS Z 3198-3 규격»을 참고하여 시험하였고, 기준은 퍼짐성지수가 50이상 되어야 한다고 정하였다. 본 연구에서는 동일 조건에서 10회씩 반복 실시 하였다.
제안 방법
- 5C계 보다 lOMPa 정도 낮게 나타났다.(그림 9(d)) 원인을 분석하기 위해 광학현미경으로 인장 시편의 단면조직을 관찰하였다. 그림 10에서 나타내는 바와 같이 Sn-3.
- 1) 국내의 무연관련 표준규격이 없으므로 해외규격을 참고하되 국내의 실정과 요구조건에 맞 도록 그 범위를 조절해야 하며, 신뢰성을 만족하기 위해 최소 10회 이상을 기준으로 실시 하였다.
- 시 험방법은 JIS Z 3198-4 기준에 따라 용융조의 온도는 260±5℃, 플럭스는 R형 (type)이었다. 그림 3의 과정과 같이 규격 0.3x10x30 mm3 의 동판 시 험편을 플럭스에 60초 간 적신 후 용융솔더 에 10초간 침적 (dipping) 후 당김(pulling)하여 젖음력을 측정하였다. 이 때 침 적 깊 이 (dipping depth)는 2 mm, 침적 속도(dipping speed)는 2~5mm/min 으로 하였다?"
- 본 연구에서는 동일 조건에서 10회씩 반복 실시 하였다. 플럭스는 R-type을, 솔더 의 양은 0.
- 시편은 커넥터를 사용하였으며 젖음각도, 젖음 면적 및 내부 충전 정도(외관, 필렛 높이)를 파악하였다. 8)
- 이용하였다. 실제 시험 시 구리판을 용융솔더에 침지한 후 평가하였다. 평가기준은 IEC 600068-2-69 규격을 참고하여 영 점 시 간(Zero cross time, [—은 3초 이내, 젖음력은 2 mN이상으로 하였다.
- 열충격 및 고온방치시험에 관한 사항은 참고한 해외 규격에 나타나 있지 않아 평가기준을 본 실험의 온도조건과 cycle 수(시간)를 고려하여 솔더링 상태의 접합 강도 대비 50%이상으로 정하였다. 2012칩의 열충격시험의 경우(그림 14(a)) 시험전 (as-soldered)의 평균 강도는 98N 이고 시험 후 (after thermal shock)는 70N으로 저하된 강도값이 초기대비 50%이상이어서 기준을 만족함을 알 수 있었다.
- 예비시험 시에는 Sn-3, 0Ag-0.5Cu를 녹인 용탕을 135℃, 180℃, 220℃로 서로 다르게 예 열된 몰드에 주입하여 인장시험편을 제작하여 인장강도를 비교하였다. 예비실험의 결과를 토대로 Sn-0.
- 5Cu를 녹인 용탕을 135℃, 180℃, 220℃로 서로 다르게 예 열된 몰드에 주입하여 인장시험편을 제작하여 인장강도를 비교하였다. 예비실험의 결과를 토대로 Sn-0.7Cu 소재를 사용한 본 실험에서는 180℃±10℃ 로 몰드를 예열하여 용융솔더를 주입하여 제작하였다. 시 험 방법은 KS D 6704규격 의 인장강도 시험 규격에 따라 그림 1(a)와 같이 시험부 직경 10mm<|), 표점길이 50mm의 봉재 시험편을 사용하였으며, 2) 그림 1(b)와 같이 동일 조건에서 5개씩의 인장 시편이 주조되었다.
- 나타내었다. 접합부 제조조건 등은 사용자에 따라 달라질 수 있으므로 특별히 규정 하지는 않으나 본 연구에서는 Sn-0.7Cu 조성의 플로우 프로파일(flow profile) 예 열구간은 100+5℃, 피크온도는 255±5℃, 침지시간 4±1초, 속도 1.0-1.4 m/rnin, 플럭스는 RMA형(type)을 사용하였다. 단, QFP 및 칩 부품의 경우 플로우 솔더링 전에 본딩재를 이용 사전접착을 하였다.
대상 데이터
- 본 시험에서는 국내산 Sn-Cu계 무연 솔더바(모델 : LFC7) 소재를 사용하였고, 시 험횟수는 각 항목별로 10회씩 실시하였다. 실험에 참고한 솔더 재료 및 접합부의 평가항목에 대한 해외의 규격들은 표 1에 나타내고 있다.
- 단, QFP 및 칩 부품의 경우 플로우 솔더링 전에 본딩재를 이용 사전접착을 하였다. 샘플링 시료는 대표성을 갖는 로트(lot)에서 채취한 솔더를 이용한 접합부에 평가하고 평가시험은 최소 10개 이상의 기판 시료를 사용하였다 心)
이론/모형
- 은 100。(3에서 500시간 유지한 후 강도변화를 측정 하였고, 구체적인 방법은 MIL-STD-202F, Method 108A(고온시험방법)口)을 따라 수행하였다. 표 4는 참고한 MIL 규격의 조건을 나타내고 있다.
- 같이 -55。。에서 10분 유지, 5분 이내 승온, 15VC에서 10분 유지, 5분 이내 냉각하는 과정을 1 싸이클로 하고 총 1357사이클까지 반복하였으며, 구체적인 시험은 MIL-STD-202C-107 규정에 따라 실시하였다.U)
- 평가기준은 IEC 600068-2-69 규격을 참고하여 영 점 시 간(Zero cross time, [—은 3초 이내, 젖음력은 2 mN이상으로 하였다. 시 험방법은 JIS Z 3198-4 기준에 따라 용융조의 온도는 260±5℃, 플럭스는 R형 (type)이었다. 그림 3의 과정과 같이 규격 0.
- 젖음성 시험의 평가는 규정온도로 가열된 용융솔더 용기(bath)중으로 시 험편을 일정 속도로 일정 깊이까지 침적한 상태에서, 시험편에 가해지는 부력과 젖음력(젖음 개시 후의 표면 장력에 의해 시편에 작용하는 힘 )을 측정하여 , 그 작용력 대 시간곡선(그림 2)을 해석하는 것에 의해 평가하는 메니스코그라프(wetting balance)시험을 이용하였다. 실제 시험 시 구리판을 용융솔더에 침지한 후 평가하였다.
- 실제 시험 시 구리판을 용융솔더에 침지한 후 평가하였다. 평가기준은 IEC 600068-2-69 규격을 참고하여 영 점 시 간(Zero cross time, [—은 3초 이내, 젖음력은 2 mN이상으로 하였다. 시 험방법은 JIS Z 3198-4 기준에 따라 용융조의 온도는 260±5℃, 플럭스는 R형 (type)이었다.
- 표면관찰실험의 경우 QFP, MLCC, connector 접합부의 솔더 표면을 현미경으로 관찰하여, 핀흘, 균열 등의 결함 유무를 확인하였고, 내부관찰 실험의 경우 IPC-A-610C 기준을 참고하여 관찰하였다. 시편은 커넥터를 사용하였으며 젖음각도, 젖음 면적 및 내부 충전 정도(외관, 필렛 높이)를 파악하였다.
성능/효과
- 열충격시험의 경우(그림 14(a)) 시험전 (as-soldered)의 평균 강도는 98N 이고 시험 후 (after thermal shock)는 70N으로 저하된 강도값이 초기대비 50%이상이어서 기준을 만족함을 알 수 있었다. 마찬가지로 QFP는 시험 전 27N에서 열충격 후 22N(그림 14(b)), 커넥터는 시험 전 35N에 서열충격 후 25N(그림 14(c))으로 강토값이 모두 초기 솔더 접합부의 것의 50%를 훨씬 상회하였으므로 기준을 만족하였다고 할 수 있다.
- 3) 참고한 해외 규격의 평가기준에 의 거하여 시험 한 결과 국내산 무연 솔더 바 Sn-0.7Cu는 인장시험을 제외한 모든 평가항목에서 기준치를 만족하였지만, 시험방법의 기준만 제시되어있는 규격도 있으므로 인장강도, 전단강도, 퍼짐성 및 젖음성 등의 평가기준은 따로 정해야 할 필요가 있다.
- 4) 접합부 강도 시험에서 초기 강도와 비교하여 열충격시험 후의 접합부 강도는 크게 저하하였으나, 고온방치 시험 의 경우 초기 강도와 비교하여 큰차이는 나타내지 않았다. 강도감소에 대한 이유는 열충격 동안 접합부에서 발생한 결정 립 성장과 Cu6Sn5, Cu3Sn 등 금속간 화합물의 발생 및 성장의 영향 때문으로 생각된다.
- 있다. Sn-0.7Cu의 경우 평균 영점시간 0.4 초, 젖음력 3.46mN으로 평가기준을 만족하였고, Sn-3.0Ag-0.5Cu의 경우 영점시간 0.4~0.5초, 젖 음력은 3.6~3.8mN으로 역시 기준을 만족하였다. 보통 Sn-0.
- 7Cu 솔더소재의 퍼짐성 시험 과정 을 고온관찰장비를 사용하여 동영상을 촬영 후편 집한 사진을 나타내고 있다. 시험은 총 10회 실시하였고 퍼짐성은 평균 77.25%를 나타내어 평가 기준을 만족하였다. 시험을 통해 알 수 있었던 사항으로, 솔더바 소재는 플럭스가 전혀 함유되어 있지 않은 상태 이므로 플럭스를 적당량 뿌려주지 않은 시편의 경우엔 퍼짐 면적이 정상적인 경우보다 작거나 일반적으로 알고 있는 소재의 융점보다 더 높은 온도에서 녹기 시작하는 경향을 보였다.
- 25%를 나타내어 평가 기준을 만족하였다. 시험을 통해 알 수 있었던 사항으로, 솔더바 소재는 플럭스가 전혀 함유되어 있지 않은 상태 이므로 플럭스를 적당량 뿌려주지 않은 시편의 경우엔 퍼짐 면적이 정상적인 경우보다 작거나 일반적으로 알고 있는 소재의 융점보다 더 높은 온도에서 녹기 시작하는 경향을 보였다. 따라서 시편의 산화를 방지하기 위해서는 플럭스의 양이 시편의 표면에 골고루 묻혀 질 수 있도록 해야 하며, Bondi의 연구M)에서도 언급된 바와 같이, 시험의 오차를 되도록 줄이기 위해선 정밀한 측정 장비 를 사용하여 퍼 진 후의 솔더 높이를 정확히 측정해야 할 필요가 있었다.
- 원인을 규명하기 위해 SEM 분석을 한 결과 그림 15와 16에서 나타난 바와 같이 1357 cycle의 열충격시험 후 솔더접합부는 crack 발생이나 land 박리는 나타나지 않았다. 하지만 EDS 분석 결과(표 5), QFP의 lead 와 도금 pad 경 계면에서 Cu«Sn5, Cu3Sn 등의 금속 간 화합물들이 성장한 것을 관찰할 수 있었다. 500 시간의 고온방치시험 후 관찰한 시편에서도 금속 간 화합물이 발생하였으나 열충격시험 후 보다는 발생량이 적었다.
후속연구
- 본 연구에서 수행한 고온방치시험의 경우 강도 차이 가 초기와 비교하여 크게 나지 않았으므로 추가적으로 온도조건을 보다 가혹하게 하거나 시효 시간을 증가시 켜 관찰할 필요가 있다고 판단된다.
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