본 연구에서는 BGA(Ball Grid Array) 솔더 접합부에 high impact가 가해졌을 경우 접합부의 기계적 특성에 대해서 연구하였다. 시편은 ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold) 표면 처리된 FR-4 기판 위에 직경이 500 ${\mu}m$인 Sn-37Pb 솔더볼을 BGA 방식으로 배열하고 리플로우(Reflow)를 통하여 제작하였다. HTS(High Temperature Storage) 테스트를 위해, 시편을 일정한 온도의 $120^{\circ}C$에서 250시간 동안 시효처리(Aging)를 실시하였다. 시효처리 후, 각각의 시편은 고속 전단 시험기(Dage-4000HS)를 이용하여 속도 변수는 0.01, 0.1, 1, 3 m/s로 설정하여 고속전단 시험을 실시하였다. 전단시험 후, 솔더 접합 계면과 파면을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 통하여 관찰하였다. 솔더 접합 계면에는 $Ni_3Sn_4$의 금속간 화합물이 성장하였으며, 시효처리 후, 솔더 접합 계면에 생성된 금속간 화합물의 두께가 증가하는 것을 관찰 할 수 있었다. 전단 시험 결과, 전단 속도가 빨라짐에 따라 전단 강도값은 증가하는 경향을 나타내었다. 솔더 접합부의 파단은 전단 속도와 시효처리 시간에 따라 다양한 파괴 모드로 진행됨을 알 수 있었다. 또한, 파괴 모드는 연성파괴 형상을 보이다가 전단속도가 증가함에 따라 취성 파괴 형상으로 변하는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 BGA(Ball Grid Array) 솔더 접합부에 high impact가 가해졌을 경우 접합부의 기계적 특성에 대해서 연구하였다. 시편은 ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold) 표면 처리된 FR-4 기판 위에 직경이 500 ${\mu}m$인 Sn-37Pb 솔더볼을 BGA 방식으로 배열하고 리플로우(Reflow)를 통하여 제작하였다. HTS(High Temperature Storage) 테스트를 위해, 시편을 일정한 온도의 $120^{\circ}C$에서 250시간 동안 시효처리(Aging)를 실시하였다. 시효처리 후, 각각의 시편은 고속 전단 시험기(Dage-4000HS)를 이용하여 속도 변수는 0.01, 0.1, 1, 3 m/s로 설정하여 고속전단 시험을 실시하였다. 전단시험 후, 솔더 접합 계면과 파면을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 통하여 관찰하였다. 솔더 접합 계면에는 $Ni_3Sn_4$의 금속간 화합물이 성장하였으며, 시효처리 후, 솔더 접합 계면에 생성된 금속간 화합물의 두께가 증가하는 것을 관찰 할 수 있었다. 전단 시험 결과, 전단 속도가 빨라짐에 따라 전단 강도값은 증가하는 경향을 나타내었다. 솔더 접합부의 파단은 전단 속도와 시효처리 시간에 따라 다양한 파괴 모드로 진행됨을 알 수 있었다. 또한, 파괴 모드는 연성파괴 형상을 보이다가 전단속도가 증가함에 따라 취성 파괴 형상으로 변하는 것을 알 수 있었다.
The mechanical shear strength of BGA(Ball Grid Array) solder joints under high impact loading was investigated. The Sn-37Pb solder balls with a diameter of $500{\mu}m$ were placed on the pads of FR-4 substrates with ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold) surface treatment and reflowed. F...
The mechanical shear strength of BGA(Ball Grid Array) solder joints under high impact loading was investigated. The Sn-37Pb solder balls with a diameter of $500{\mu}m$ were placed on the pads of FR-4 substrates with ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold) surface treatment and reflowed. For the High Temperature Storage(HTS) test, the samples were aged a constant testing temperature of $120^{\circ}C$ for up to 250h. After the HTS test, high speed shear tests with various shear speed of 0.01, 0.1, 1, 3 m/s were conducted. $Ni_3Sn_4$ intermetallic compound(IMC) layer was observed at the solder/Ni-P interface and thickness of IMC was increased with aging process. The shear strength increased with increasing shear speed. The fracture surfaces of solder joints showed various fracture modes dependent on shear speed and aging time. Fracture mode was changed from ductile fracture to brittle fracture with increasing shear speed.
The mechanical shear strength of BGA(Ball Grid Array) solder joints under high impact loading was investigated. The Sn-37Pb solder balls with a diameter of $500{\mu}m$ were placed on the pads of FR-4 substrates with ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold) surface treatment and reflowed. For the High Temperature Storage(HTS) test, the samples were aged a constant testing temperature of $120^{\circ}C$ for up to 250h. After the HTS test, high speed shear tests with various shear speed of 0.01, 0.1, 1, 3 m/s were conducted. $Ni_3Sn_4$ intermetallic compound(IMC) layer was observed at the solder/Ni-P interface and thickness of IMC was increased with aging process. The shear strength increased with increasing shear speed. The fracture surfaces of solder joints showed various fracture modes dependent on shear speed and aging time. Fracture mode was changed from ductile fracture to brittle fracture with increasing shear speed.
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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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