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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 고속전단 시험 시 BGA 솔더 접합부의 전단강도에 미치는 전단 속도의 영향에 대하여 살펴 보았다.
- 본 연구에서는, BGA 솔더 접합부의 기계적 강도와 파괴 형상에 전단 속도 변화가 고속전단 강도에 미치는 영향에 대해서 연구하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 그래프의 안쪽 부분의 면적은 전단 에너지 값을 나타내어준다. Force-Displacement 곡선과 파괴 모드에 대해서 그 연관성에 대해서 비교 분석해 보았다. 시효처리 전 시편의 경우, Fig.
- RMA (Rosin Mildly Activated) 플럭스를 도포한 FR-4 기 판 상에 BGA 솔더 볼을 올려 놓은 후, IR-reflow machine (RF-430-N2, Japan Pulse Laboratory Ltd. Co.)을 이용하여 솔더볼과 기판을 접합하였다. 이때, 리플로우 최대 온도는 225P였으며, 리플로우 시간은 60초로 하였다.
- 솔더 접합부 계면을 정확하게 관찰하기 위하여 에칭액 (95 vol% C2H5OH: 4 vol% HNO31 vol% HC1)을 이용하여 선택 적 으로 에 칭 (etching) 후, SEM (Scanning Electron Microscope)을 사용하여 미세 조직을 관찰하였다. 계면에 생성된 금속간 화합물의 조성은 EDS (Energy Dispersive Spectrometer)를 통하여 분석하였다.
- 접합된 기판은 플럭스 제거제를 이용한 초음파 세척을 통하여 기판 상의 플럭스 잔사를 제거하였다. 그리고 고속전단 시험 시 계면에 생성된 금속간 화합물의 두께에 따른 강도 값의 변화와 파면을 관찰하기 위하여, Sn-37Pb 솔더 접합부를 120℃에서 250시간 동안 고온시효처리 하였다.
- 리플로우 및 시 효처리 한 시 편들의 미세구조를 관찰하기 위하여 시 편을 epoxy로 마운팅 후, SiC paper로 폴리싱 (polishing) 하였다. 솔더 접합부 계면을 정확하게 관찰하기 위하여 에칭액 (95 vol% C2H5OH: 4 vol% HNO31 vol% HC1)을 이용하여 선택 적 으로 에 칭 (etching) 후, SEM (Scanning Electron Microscope)을 사용하여 미세 조직을 관찰하였다.
- 위하여 시 편을 epoxy로 마운팅 후, SiC paper로 폴리싱 (polishing) 하였다. 솔더 접합부 계면을 정확하게 관찰하기 위하여 에칭액 (95 vol% C2H5OH: 4 vol% HNO31 vol% HC1)을 이용하여 선택 적 으로 에 칭 (etching) 후, SEM (Scanning Electron Microscope)을 사용하여 미세 조직을 관찰하였다. 계면에 생성된 금속간 화합물의 조성은 EDS (Energy Dispersive Spectrometer)를 통하여 분석하였다.
- 솔더 접합부의 기계적 특성을 평가하기 위하여, 고속전단 시험기 (Dage-4000HS, Richardson Electronics Ltd.)를 이용하여 고속 전단 시험을 시행 하였다. Fig.
- 1(b)에 볼 전단 시험의 간단한 모식도를 보여준다. 전단 강도에 미치는 전단 속도의 영향을 연구하기 위해서 전단 높이는 50 ^侦1로 고정 하였고, 전단 속도는 0.01, 0.1, 1, 3 m/s 조건에서 고속 전단 시험을 시행하였다. 전단 시험 후, 파면은 SEM을 이용하여 관찰하였다.
- 1, 1, 3 m/s 조건에서 고속 전단 시험을 시행하였다. 전단 시험 후, 파면은 SEM을 이용하여 관찰하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 직경이 500 |皿인 Sn-37Pb (wt.%)의 조성을 갖는 BGA 솔더볼을 사용하였다. 사용된 기판은 Cu pad 위에 ENIG 표면처리가 되어있는 FR-4 기판이 사용되었다.
- %)의 조성을 갖는 BGA 솔더볼을 사용하였다. 사용된 기판은 Cu pad 위에 ENIG 표면처리가 되어있는 FR-4 기판이 사용되었다. FR-4 기판의 패드 직경은 460 |im이고, pitch size는 1 mm로 Fig.
성능/효과
- 시효처리 전 시편의 경우, Fig. 5(a)에 보인 바와 같이, 전단 속도가 0.01 m/s일 때 솔더의 소성 변형이 100% 이상 일어나 대부분 연성파괴 모드가 발생하였고 전단속도가 빨라짐 에 따라 완전한 연성 파괴에서 보다는 전단 에너지가 감소하고 테스트 거리가 감소하여 파괴모드는 혼합 파괴 모드와 취성파괴 모드가 발생하는 빈도가 높아졌다. 시효 처리를 250시간 실시한 경우, Fig.
- 1) Sn-37Pb 솔더 접 합부에 는 Ni3S%의 금속간 화합물이 관찰되 었고, Ni3Sii4 금속간 화합물과 Ni-P UBM층 사이 에는 P-rich 층인 IW3P층이 관찰되었다. 시효처리 한 후, 금속간 화합물의 두께는 증가하였다
- 2) 고속전단 시험에서의 전단 강도는 저속전단 시 험 에서 의 전단강도 값보다 더 높게 측정 되었고, 전단 속도가 빨라짐 에 따라 전단 강도값은 점점 증가하는 경향을 나타내었다.
- 3) 고속전단 시험에서 전단 속도가 빨라질수록, 파괴 모드는 연성파괴에서 취성 파괴로 바뀌는 것을 관찰할 수 있었고, 파괴에너지는 점점 감소하는 경향을 나타내었다.
- 4) 고속전단 시험 시, 솔더 합금 자체의 물성도 중요한 역할로 작용하지만, 계면에 형성된 금속간 화합물 또한 접합 신뢰성에 많은 영향을 미치는 것으로 사료된다.
- 3은 Sn-37Pb 솔더 접 합부의 전단 속도에 따른 전단 강도 값의 변화를 나타낸 것이다. As reflow 상태와 시효 처리한 시편 모두의 경우, 전단 강도는 전단 속도가 0.01, 0.1, 1, 3 m/s로 증가함에 따라 증가하는 것을 관찰할 수 있었고, 3 m/s 의 최대 속도에서 가장 큰 값을 나타내었다. 전단 속도가 0.
- 切 따라서 솔더의 변형 속도 또는 전단 속도가 솔더 접합부의 유동 응력에 큰 영향을 주는 중요한 인자로 작용하게 된다. Sn-37Pb 솔더 합금을 속도를 변수로 한, 인장 시험을 결과, 속도가 증가할수록 솔더 자체 에 가해지는 응력 이 증가하였으며, 인장시험 시에도 변형 속도에 따라 솔더 합금의 응력값에 큰 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.分 본 연구에서 수행한 저속 전단 시험의 경우 모두 솔더 내부에서 파괴가 일어나는 연성 파괴가 관찰되었기 때문에 저속 전단 시험의 경우 위와 같은 이론이 잘 적용된다고 할 수 있겠다.
- Sn-37Pb 솔더 합금을 속도를 변수로 한, 인장 시험을 결과, 속도가 증가할수록 솔더 자체 에 가해지는 응력 이 증가하였으며, 인장시험 시에도 변형 속도에 따라 솔더 합금의 응력값에 큰 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.分 본 연구에서 수행한 저속 전단 시험의 경우 모두 솔더 내부에서 파괴가 일어나는 연성 파괴가 관찰되었기 때문에 저속 전단 시험의 경우 위와 같은 이론이 잘 적용된다고 할 수 있겠다. 솔더의 경우, 점소성 물성을 갖기 때문에 전단 속도가 느려질수록 시험 시간이 증가하고, 이에 따라서 크립 특성이 미치는 효과도 증가하기 때문에 전단강도는 감소하게 된다.
- 리플로우 공정 후, Sn-37Pb와 Ni-P 사이의 계면에는 Ni-Sn계 금속간 화합물이 생성되었는데, EDX 분석 결과 NiaSiu임 을 알 수 있었으며 , 그 두께는 약 3 μm 정도로 계면에 생성 되었다. 또한, Ni3Sn4 금속간 화합물과 Ni-P UBM 사이에 어두운 색의 얇은 층을 관찰할 수 있었는데, EDX 분석 결과 P-rich 층인 Ni3P 층인 것으로 사료된다. Fig.
- 일반적 으로 알려진 바와 같이 Sn-37Pb는 Pb-rich 상과 Sn-rich 상들의 공정조직으로 이루어져 있음을 알 수 있었다. 리플로우 공정 후, Sn-37Pb와 Ni-P 사이의 계면에는 Ni-Sn계 금속간 화합물이 생성되었는데, EDX 분석 결과 NiaSiu임 을 알 수 있었으며 , 그 두께는 약 3 μm 정도로 계면에 생성 되었다. 또한, Ni3Sn4 금속간 화합물과 Ni-P UBM 사이에 어두운 색의 얇은 층을 관찰할 수 있었는데, EDX 분석 결과 P-rich 층인 Ni3P 층인 것으로 사료된다.
- 2(c)와 (d)는 120℃에서 250시간 동안 시효 처리 후의 Sn-37Pb 솔더 접 합부의 계 면 사진을 보여준다. 시 효처리 를 함에 따라 Pb-rich 상과 Sn-rich 상들의 공정조직들이 조대화 된 것을 확인할 수 있었고, Ni3S%의 금속간 화합물 층은 그 두께 가 약 3.7 μm 정도로 두꺼워 진 것이 관찰되었다.
- 1, 1, 3 m/s로 증가함에 따라 증가하는 것을 관찰할 수 있었고, 3 m/s 의 최대 속도에서 가장 큰 값을 나타내었다. 전단 속도가 0.01, 0.1 m/s의 경우, 시효 처리한 시편의 전단 강도가 시효처리 전의 시편보다 전단 강도값보다 높게 측정되었고, 1, 3 m/s의 경우, 시효 처리 전 시편의 전단 강도가 더 높게 측정되었는데, 이것은 시효 처리 과정에서 계면에 성장한 금속간 화합물의 두께 증가로 인하여, 고속전단 시험 시영향을 주었을 것이라고 사료된다.
후속연구
- 일정 두께의 금속간 화합물이 성장하면 접합부의 기계적 특성은 향상되는 반면, 과도하게 성장한 금속간 화합물은 접합부의 기계적 특성을 떨어뜨리고 크랙 전파의 경로로써 취성파괴의 원인으로 작용하게 된다. 따라서 향후 이러 한 금속간 화합물의 성 장이 고속 전단 실험에 미치는 영향과 그에 따른 솔더 접합부의 파괴 모드 변화에 대해서 더 많은 연구가 필요할 것으로 사료된다.U)
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