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문제 정의
- 본 논문은 서울테크노파크의 차세대패키징 공정 . 장비 실용화사업의 일환으로 지식경제부 지원을 받아 수행 되 었으며, 이에 관계자 여 러분께감사드립니다.
가설 설정
- 2. Test setup: (a) Drop tester and test board located on the drop table, (b) 4-point bending tester and test board between support and load anvil.
- 11에서 보듯이 패키지와 솔더 사이에 생성된 (Cu, Ni)6Sn5, (Ni, Cu)3Sn층은 PCB와 솔더 사이에 형성된 Cu3Sn 또는 Cu6Sn5 성분에 비해 높은 탄성률을 가진다.15)이러한 사실로부터 같은 양의 충격을 받았을 때 패키지 부의 변형이 PCB부보다 더 클 것이라 생각된다.M)또한, Fig.
제안 방법
- JEDEC 시험조건에 따라서 서포트 앤빌 (support anvil)의 간격은 110 mm, 로드 앤빌(load anvil) 사이의 간격 은 75 mm가 되도록 하였으며, 로드 앤빌에 2mm의 수직변위를 주어 하중을 가하였다. 10회 주기로 변위를 준 뒤 저항을 측정하여 저항이 1000 Q 이상이면 파손으로 간주하여 시험을 중단하였다. 4점굽힘시험에 사용된 시험기는 Fig.
- 8 pitch 간격으로 배치되어 있다. 64개의 솔더는 하나의 데이지 체인으로 연결되어 저항 측정 시 한 개의 솔더볼이라도 파손되면 실험을 중단하도록 설계하였다.
- 사용하였다. JEDEC 시험조건에 따라서 서포트 앤빌 (support anvil)의 간격은 110 mm, 로드 앤빌(load anvil) 사이의 간격 은 75 mm가 되도록 하였으며, 로드 앤빌에 2mm의 수직변위를 주어 하중을 가하였다. 10회 주기로 변위를 준 뒤 저항을 측정하여 저항이 1000 Q 이상이면 파손으로 간주하여 시험을 중단하였다.
- 낙하 시 험에서 유연과 무연 솔더 의 파단은 모두 IMC 의 취성파괴를 보였다. 그러나 유한요소법으로는 IMC층을 묘사하는데 어려움이 있으므로 여기서는 솔더 의 특성에 따른 신뢰성을 비교하였다. Fig.
- 접합부 관찰에서 굽힘시험의 시편은 솔더 biUk영역에서 균열이 성장하면서 파단이 일어났는데 이로부터 4점굽힘시험은 솔더의 전단 강도가 신뢰성 에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 그러므로 굽힘시험에서는 솔더의 전단 변형률(shear strain)을 해석하여 솔더의 신뢰성을 비교하였다. 유.
- 4점굽힘시험의 경우 Workbench/Static st- nicmral을 이용하여 해석을 실시하였다. 기판부분 '만을 모델링하고 서포트 앤빌과 로드 앤빌을 선 접촉으로 묘사하여 간단하고 정확한 해석이 되도록 하였다. 전체 모델의 요소수는 103, 306개이며 노드 수는 178, 870개 이다.
- 무연 솔더의 기계적 충격 특성을 비교분석하였다. 또한 유한요소 해석 소프트웨어인 ANSYS Workbench v.ll/Flexible Dynamic and Static Structural을 이 용해 낙하시험 과 4점 굽힘 시험을 묘사하고 충격 발생 시 발생하는 응력 거동을 파악하였으며, 실험 설계에 대한 조건을 달리하여 응력과 변형률의 발생을 분석하였다.
- 모델링은 PCB, 실리콘 칩, 솔더, 구리 패드, 전도층(Ni/Au)을 3차원으로 묘사하였으며, 전체를 모델링한 후 XY평면과 YZ평면에 대칭 경계조건을 부여하여 1/4부분만을 해석하였다.또한관심영역인 솔더 조인트 부분의 요소를 조밀하게 하여 해석시간을 단축하고 정확도를 높이려 하였다. 모델의 치수는 Fig.
- ll을 사용하였다. 모델링은 PCB, 실리콘 칩, 솔더, 구리 패드, 전도층(Ni/Au)을 3차원으로 묘사하였으며, 전체를 모델링한 후 XY평면과 YZ평면에 대칭 경계조건을 부여하여 1/4부분만을 해석하였다.또한관심영역인 솔더 조인트 부분의 요소를 조밀하게 하여 해석시간을 단축하고 정확도를 높이려 하였다.
- 실시하여 유 . 무연 솔더의 기계적 충격 특성을 비교분석하였다. 또한 유한요소 해석 소프트웨어인 ANSYS Workbench v.
- 무연솔더(63Sn- 37Pb, 97Sn2.5AgO.5Cu, 95.5Sn4.0Ag0.5Cu) 의 BGA 타입 패키지의 낙하시험과 4점 굽힘 시험을 실시하여 충격특성을 비교하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.
- 본 연구에서는 유연솔더와 현재 유력 한 유연 솔더 대체조성인 SnAgCu계열 BGA 타입의 패키지를 PCB에 부착하였으며 신뢰성 시험 표준기관인 JEDEC(Joint Electron DeviceEngineering Council) 에서 명시한 시험 방법에 따라 낙하시험과 4점 굽힘 시험을 실시하여 유 . 무연 솔더의 기계적 충격 특성을 비교분석하였다.
- 도출 할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 충격가속도 입력 해석법을 응용하였으며, 동적 해석 이 가능한 Workbench/Flexible Dynamic을 이용하여 낙하 해석을 시행하였다. 전체 모델의 요소 수는 73, 735개 이 고 노드 수 120, 627개 이 다.
- 5 ms이다. 저 항이 100 Q이상이면 파손된 것으로 간주하였으며 수명이 200 Drop 이상인 패키지는 신뢰성 이 좋다고 판단하여 시험을 중단하였다. 낙하시험에 사용된 시험 장비는 Fig.
대상 데이터
- 3에 나타내었으며, 해석에 사용된 물성 치 는 문헌을 참고하여 Table 1에 나타내 었다."7)전도층(Ni/Au)은 물성 치를 알아낼 수 없었으므로 니켈(Ni)의 물성치를 사용하였다.
- 4점 굽힘 시험 은 Lee4)가 개 발한 4점 굽힘 시 험 기 를이용하여 시험하였으며, 낙하시험에서와 같은 시편을 사용하였다. JEDEC 시험조건에 따라서 서포트 앤빌 (support anvil)의 간격은 110 mm, 로드 앤빌(load anvil) 사이의 간격 은 75 mm가 되도록 하였으며, 로드 앤빌에 2mm의 수직변위를 주어 하중을 가하였다.
- 실험에 사용된 시편은 8mmx8mm 규격의 BGA 패키지로 BT(Bismalemide-Triazime)재질의 substrate에 8×8 배열로 0.45 mm의 솔더볼이 0.8 pitch 간격으로 배치되어 있다. 64개의 솔더는 하나의 데이지 체인으로 연결되어 저항 측정 시 한 개의 솔더볼이라도 파손되면 실험을 중단하도록 설계하였다.
- 유연솔더의 조성은 63Sn37Pb이고 무연 솔더의 조성은 97Sn2.5Ag0.5Cu와 95.5Sn4.0 Ag0.5Cii가사용되었다. 패키지는 세 가지 조성 모두 Ni/Au 무전해 도금을 사용하였다.
- 기판부분 '만을 모델링하고 서포트 앤빌과 로드 앤빌을 선 접촉으로 묘사하여 간단하고 정확한 해석이 되도록 하였다. 전체 모델의 요소수는 103, 306개이며 노드 수는 178, 870개 이다. Fig.
- 5Cii가사용되었다. 패키지는 세 가지 조성 모두 Ni/Au 무전해 도금을 사용하였다. PCB는 구리패드 위에 96.
데이터처리
- 4(a)에 낙하시험에 부여한 해석 조건을 나타내었다. 4점굽힘시험의 경우 Workbench/Static st- nicmral을 이용하여 해석을 실시하였다. 기판부분 '만을 모델링하고 서포트 앤빌과 로드 앤빌을 선 접촉으로 묘사하여 간단하고 정확한 해석이 되도록 하였다.
- 유한요소법 해석은 ANSYS Workbench v.ll을 사용하였다. 모델링은 PCB, 실리콘 칩, 솔더, 구리 패드, 전도층(Ni/Au)을 3차원으로 묘사하였으며, 전체를 모델링한 후 XY평면과 YZ평면에 대칭 경계조건을 부여하여 1/4부분만을 해석하였다.
이론/모형
- 실험은 JEDEC에서 명시한 낙하시험(JEDEC, JESD22-B111)2) 4반복굽힘시험(JEDEC, JESD22- BU3)3)의 시험조건을 따랐으며 MB의 규격 및 패키지 시편의 규격도 JEDEC기준을 따라 설계하였다. 실험에 사용된 시편은 8mmx8mm 규격의 BGA 패키지로 BT(Bismalemide-Triazime)재질의 substrate에 8×8 배열로 0.
성능/효과
- 4점 굽힘 시험 의 경 우도 크리프에 의한 변형보다는 주로 소성변형 이 솔 더 조인트의 파손에 직접적인 작용을 하는 것으로 보고되고 있다.(2) Sn-Ag-Cu계 무연솔더는 굽힘 시험에서도 유연솔더보다 우수한 특성을 보였다. Fig.
- Fig. 15(a)는 충격가속도를 500 G 1500 G, 2900 G로 변화를 주어 임 계 솔더볼(critical-solder) 의 패키지부 조인트 면에서의 최 대응력을 해석한 결과이며 충격가속도에 비례 하여 응력이 커지는 것을 확인할 수 있다. 또한 Fig.
- 1) 낙하시 험과 4점굽힘시험에서 모두 무연 솔더는 유연솔더보다 2배 이상의 높은 신뢰성을 보였다. 그러나 두 가지의 무연솔더 조성 중에서 Ag 함량이 적은 97Sn2.
- 2) 광학현미경으로 접합부를 관찰한 결과 낙하시험의 시편은 패키지 부의 IMC층을 따라 취성파괴를 하였고, 굽힘시험의 시편은 패키징 부의 솔 더 마스크와 솔더의 접점에서부터 균열이 생성되어 연성 파괴 의 양상을 보이며 솔더 bulk로 성 장하였다. 낙하시험에서는 강한 충격에 의한 응력이취성영역인 IMC에서 균열을 발생시키며, 굽힘 시험에서는 반복적 인 작은 충격으로 인해 솔더 bulk 영역에서 지속적인 연성파괴가 발생함을 알 수 있었다.
- 3) 낙하시험 과 4점굽힘 시험 시 발생하는 응력 의분포는 유한요소법을 이용해 분석한 결과 주로 패키지의 외각솔더에 집중함을 알 수 있었다. 낙하시험에서는 변형에너지를 비교한 결과 무연 솔더가 유연솔더보다 신뢰성 이 좋은 것으로 분석 되었다.
- 12에서는 IMC영역 을 SEM(Scanning Electron Microscopy)로 분석한 결과를 보이고 있다. IMC는 63Sn37Pb > 97Sn2.5Ag0.5Cu > 95.5Sn4.0Ag0.5Cu 의 순으로 두껍게 관찰되었으며, IMC가 얇을 수록 신뢰성이 우수하였다. 한편, Fig.
- 5Sn4.OAgO.5Cu 솔더보다 높은 신뢰성을 보였으나 4점굽힘 시험 에서 는 95.5Sn4.0Ag0.5Cu 솔더 의 신뢰성 이 97Sn2.5AgO.5Cu 솔더 의 신뢰성 보다 높게 나타났다. 따라서 Ag성분과 Sn성분 함량의 변화가 솔더조인트 IMC의 형성에 미치는 영향과 솔더의 충격 특성에 미치는 영향에 대한 추가적 인 연구가 필요하다.
- 63Sn37Pb 유연 솔더는 95%의 패키지가 100 drop 이하에서 파단되었으며 50%이 하의 낮은 신뢰도를 보였다. Sn-Ag-Cu 계열의 무연솔더의 경우는 35%의 패키지만이 100 drop 이하에서 파단되는 결과를 보였으며 200 drop 이상에서도 파단되지 않는 패키지가 45% 이상으로 높은 신뢰성을 보였다. 형상모수와 척도모수 값은 식 (1)을 사용해 구했다.
- 7에 4점 굽힘 시험 결과에 대한 Weibull plot을 나타내었으며, Weibull 해석 결과는 Table 3에 제시하였다. Sn-Ag-Cu계 무연솔더 는 63Sn37Pb 유연 솔더보다 2배 이상 높은 수명을 보였으며 , 척 도모수 값을 비교한 결과 95.5Sn4.0Ag0.5Cu 솔더 의 신뢰성이 가장 우수한 것으로 나타났다.한편 은의 함량에 따른 낙하시험과 4점굽힘시험 의 결과는 반대양상을 보였다.
- 낙하시험에서는 변형에너지를 비교한 결과 무연 솔더가 유연솔더보다 신뢰성 이 좋은 것으로 분석 되었다. 굽힘시험에서는 솔더의 전단변형률 계산을 통해 무연솔더 가 유연솔더 보다 전단강도가 높음을 알 수 있으며 따라서 연성파괴에 대한 저항성이 무연 솔더 가 높은 것으로 판단하였다. 또한 낙하시험과 굽힘시 험에서 하중 또는 시험 변수를 변화 시켜 신뢰성을 개선할 수 있음을 알 수 있었다.
- 낙하시험에서는 변형에너지를 비교한 결과 무연 솔더가 유연솔더보다 신뢰성 이 좋은 것으로 분석 되었다. 굽힘시험에서는 솔더의 전단변형률 계산을 통해 무연솔더 가 유연솔더 보다 전단강도가 높음을 알 수 있으며 따라서 연성파괴에 대한 저항성이 무연 솔더 가 높은 것으로 판단하였다.
- 굽힘시험에서는 솔더의 전단변형률 계산을 통해 무연솔더 가 유연솔더 보다 전단강도가 높음을 알 수 있으며 따라서 연성파괴에 대한 저항성이 무연 솔더 가 높은 것으로 판단하였다. 또한 낙하시험과 굽힘시 험에서 하중 또는 시험 변수를 변화 시켜 신뢰성을 개선할 수 있음을 알 수 있었다.
- 시편이 한쪽방향으로 지속적인 굽힘응력을 받으면서 솔더 마스크와 솔더의 접점에 응력이 집중하여 균열이 성장하였고 균열의 진전모습으로 보아 연성 파괴 가 진행 되 었음을 알 수 있다. 4점 굽힘 시험은 낙하시험과는 달리 작은 힘이 반복적으로 작용하므로 지속적으로 적은 양의 소성변형을 축적하며 균열을 성장시키는 것으로 볼 수 있다.
후속연구
- 5Cu 솔더 의 신뢰성 보다 높게 나타났다. 따라서 Ag성분과 Sn성분 함량의 변화가 솔더조인트 IMC의 형성에 미치는 영향과 솔더의 충격 특성에 미치는 영향에 대한 추가적 인 연구가 필요하다. Fig.
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