[국내논문]리플로우 횟수와 표면처리에 따른 Sn-Ag-Cu계 무연 솔더 범프의 고속전단 특성평가 Effect of Reflow Number and Surface Finish on the High Speed Shear Properties of Sn-Ag-Cu Lead-free Solder Bump원문보기
휴대폰 및 휴대기기의 낙하 충격에 대한 관심이 증가되고 있는 상황에서 솔더 볼 접합부의 낙하 충격특성은 패드의 종류와 리플로우 횟수에 영향을 받게 되어 이에 따른 신뢰성 평가가 요구된다. 이와 관련한 평 가법으로 일반적으로는 JEDEC에서 제정한 낙하충격 시험법을 사용하고 있으나 이 방법은 고 비용과 장시간이 소모되는 문제가 있어 본 연구에서는 낙하충격 특성을 간접적으로 평가하는 시험항목인 고속 전단시험을 실시하여 리플로우 횟수에 의해 성장하는 금속간 화합물 층과 OSP(Organic Solderability Preservative), ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold) 및 ENEPIG(Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) 등 표면처리에 따른 고속 전단특성을 비교, 분석하였다. 그 결과 리플로우 횟수가 증가함에 따라 IMC 층의 성장으로 고속 전단강도와 충격 에너지 값은 점차 감소하였다. 리플로우 횟수가 1회일 때는 ENEPIG, ENIG, OSP 순으로 고속 전단강도와 충격 에너지 값이 높았고 8회일 때는 ENEPIG, OSP, ENIG 순으로 충격 에너지 값이 높게 측정되었다.
휴대폰 및 휴대기기의 낙하 충격에 대한 관심이 증가되고 있는 상황에서 솔더 볼 접합부의 낙하 충격특성은 패드의 종류와 리플로우 횟수에 영향을 받게 되어 이에 따른 신뢰성 평가가 요구된다. 이와 관련한 평 가법으로 일반적으로는 JEDEC에서 제정한 낙하충격 시험법을 사용하고 있으나 이 방법은 고 비용과 장시간이 소모되는 문제가 있어 본 연구에서는 낙하충격 특성을 간접적으로 평가하는 시험항목인 고속 전단시험을 실시하여 리플로우 횟수에 의해 성장하는 금속간 화합물 층과 OSP(Organic Solderability Preservative), ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold) 및 ENEPIG(Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) 등 표면처리에 따른 고속 전단특성을 비교, 분석하였다. 그 결과 리플로우 횟수가 증가함에 따라 IMC 층의 성장으로 고속 전단강도와 충격 에너지 값은 점차 감소하였다. 리플로우 횟수가 1회일 때는 ENEPIG, ENIG, OSP 순으로 고속 전단강도와 충격 에너지 값이 높았고 8회일 때는 ENEPIG, OSP, ENIG 순으로 충격 에너지 값이 높게 측정되었다.
The drop impact reliability comes to be important for evaluation of the life time of mobile electronic products such as cellular phone. The drop impact reliability of solder joint is generally affected by the kinds of pad and reflow number, therefore, the reliability evaluation is needed. Drop impac...
The drop impact reliability comes to be important for evaluation of the life time of mobile electronic products such as cellular phone. The drop impact reliability of solder joint is generally affected by the kinds of pad and reflow number, therefore, the reliability evaluation is needed. Drop impact test proposed by JEDEC has been used as a standard method, however, which requires high cost and long time. The drop impact reliability can be indirectly evaluated by using high speed shear test of solder joints. Solder joints formed on 3 kinds of surface finishes OSP (Organic Solderability Preservation), ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) and ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) was investigated. The shear strength was analysed with the morphology change of intermetallic compound (IMC) layer according to reflow number. The layer thickness of IMC was increased with the increase of reflow number, which resulted in the decrease of the high speed shear strength and impact energy. The order of the high speed shear strength and impact energy was ENEPIG > ENIG > OSP after the 1st reflow, and ENEPIG > OSP > ENIG after 8th reflow.
The drop impact reliability comes to be important for evaluation of the life time of mobile electronic products such as cellular phone. The drop impact reliability of solder joint is generally affected by the kinds of pad and reflow number, therefore, the reliability evaluation is needed. Drop impact test proposed by JEDEC has been used as a standard method, however, which requires high cost and long time. The drop impact reliability can be indirectly evaluated by using high speed shear test of solder joints. Solder joints formed on 3 kinds of surface finishes OSP (Organic Solderability Preservation), ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) and ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) was investigated. The shear strength was analysed with the morphology change of intermetallic compound (IMC) layer according to reflow number. The layer thickness of IMC was increased with the increase of reflow number, which resulted in the decrease of the high speed shear strength and impact energy. The order of the high speed shear strength and impact energy was ENEPIG > ENIG > OSP after the 1st reflow, and ENEPIG > OSP > ENIG after 8th reflow.
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문제 정의
본 실험 은 각각의 표면처리 즉, OSP(Organic Solderability Preservative), ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold), ENEPIG(Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold)와 리플로우 횟수가 증가함에 따라 접합면의 조직 및 IMC 층의 변화에 대하여 분석하였으며 이러한 변화가 고속 전단 특성에 미치는 영향을 체 계 적 으로 분석 하고자 하였다.
제안 방법
본 연구를 위해 BGA 부품을 보드에 탑재 한 후 리플로 우의 횟수를 증가하여 시편을 제작하였다. 리플로우 횟
수는 1회, 2회, 4회, 6회, 8회로 리플로우를 실시하였다. 시험을 위해 사용된 솔더 볼의 조성은 Sn-3.
시험편 제작을 위한 솔더 볼의 리플로우 조건은 “RS D 0015 무연솔더볼''에 준하여3)예 열구간 온도는 150~180 ℃로 하였으며 , 최대 피크온도는 245℃에서 4초간 유지하여 시험을 행하였다. 리플로우를 위해 사용한 장비는 5 존 열풍방식의 KOKI KTM KT 250을 사용하였다.
5. Fracture surfaces of solder joints on the ENIG surface finish fractured by high speed shear test.
Song 등6)이 시도한 방법을 적용하여 파괴 모드를 구분하였다. 즉 전단시험 후 전형적 인 연성의 성질을 가진 솔더 부분에서 파단을 일어나는 것을 기준으로 솔더 볼 면적을 percentage로 구하여 100% 솔더 볼 파단이 일어난 경우 ductile mode 이고 100% IMC파단 경우 brittle mode, 이 외 모두 mixed mode 의 3가지 mode로 구분하였다. Fig.
고속전단을 위한 시험 편은 Fig. 1과 같이 PCB위 솔더볼의 탑재 배열을「자 형태를 사용하였으며, 시험 조건은 JESD22B-117 및 JESD22B-117A 규격을 기초로 하여 시험 조건을 택하였다. 본 연구에서 고속전단 시험을 위한 시험 조건을 Table 1에 나*)고*타속내전었단 다.
대상 데이터
실시하였다. 시험을 위해 사용된 솔더 볼의 조성은 Sn-3.0 Ag-0.5Cu이며, 지름은 450 印n이다. 또한 패드구조로는 SMD(Solder Mask Defined)를 사용하였다.
또한 패드구조로는 SMD(Solder Mask Defined)를 사용하였다. BGA 시험 편의 형상은 Fig. 1과 같으며 크기는 15x15 mm이다.
시험을 행하였다. 리플로우를 위해 사용한 장비는 5 존 열풍방식의 KOKI KTM KT 250을 사용하였다. 또한 시험에 사용된 표면처리의 종류는 OSP, ENIG, ENEPIG 이며, 각 표면처리에 따른 방법을 Fig.
리플로우를 위해 사용한 장비는 5 존 열풍방식의 KOKI KTM KT 250을 사용하였다. 또한 시험에 사용된 표면처리의 종류는 OSP, ENIG, ENEPIG 이며, 각 표면처리에 따른 방법을 Fig. 2에 모식 적으로 나타내었다.
본 연구에서 고속전단 시험을 위한 시험 조건을 Table 1에 나*)고*타속내전었단 다. 시험을 위해 사용한 장비는 DAGE-4000HS 모델을 사용하였으며, 각 시료에 대해 13회의 결과를 추출하였다.
이론/모형
5Cu이며, 지름은 450 印n이다. 또한 패드구조로는 SMD(Solder Mask Defined)를 사용하였다. BGA 시험 편의 형상은 Fig.
동일 조건에서 평가된 13개의 시편의 파면을 모두 관찰하여 F. Song 등6)이 시도한 방법을 적용하여 파괴 모드를 구분하였다. 즉 전단시험 후 전형적 인 연성의 성질을 가진 솔더 부분에서 파단을 일어나는 것을 기준으로 솔더 볼 면적을 percentage로 구하여 100% 솔더 볼 파단이 일어난 경우 ductile mode 이고 100% IMC파단 경우 brittle mode, 이 외 모두 mixed mode 의 3가지 mode로 구분하였다.
성능/효과
나타낸다. 또한 OSP와 ENEPIG 표면 처리 조건의 경우 리플로우 횟수에 따른 고속 전단강도의 값이 ENIG보다 감소 폭이 작은 것으로 나타났다. 충격에너지의 경 우리 플로우 횟수의 증가에 따른 감소폭이 고속 전단 강도 값보다 더 민감하게 나타났는데 이에 대해서는 뒤의 파단면 관찰에서 더 자세히 설명된다.
높은 고속 전단강도를 나타내 었으나, 리플로우 4회에서 ENIG의 고속 전단강도가 현저히 감소하여 마지막 8회 에서 OSP, ENEPIQ ENIG 순으로 높은 고속 전단강도 값이 나타났다. 충격에너지의 경우 1회의 리플로우에서 ENEPIQ ENIQ OSP의 순으로 고속 전단강도 값의 순과 같으나 마지막 8회에서 ENEPIQ OSP, ENIG 순으로 ENEPIG가 OSP보다 충격에너지 값이 높았다[Fig.
충격에너지의 경우 1회의 리플로우에서 ENEPIQ ENIQ OSP의 순으로 고속 전단강도 값의 순과 같으나 마지막 8회에서 ENEPIQ OSP, ENIG 순으로 ENEPIG가 OSP보다 충격에너지 값이 높았다[Fig. 4(b)], 고속 전단강도 값의 경우 OSP와 ENEPIG와의 값 차이 가 비슷하게 나타났으나충격에너지의 경우 두 표면처리 값의 뚜렷한 차이를 나타냈다. 따라서 OSP와 ENEPIG의 경우 고속 전단강도는 비슷하나 충격에너지 값에서는 큰 차이를 보인다.
확인할 수 있는데 이러한 파면의 특징은 다른 표면처리조건과는 다른 양상을 나타내는 것이며, 표면처리 OSP 의 이러한 파괴양상이 리플로우 1회 하였을 때의 고속 전단 강도 값과 충격 에너지 값이 다른 표면처리에 비해 낮은 값을 가지는 원인이라 분석된다. 또한 1회, 4회, 8회로 리플로우 횟수가 증가할수록 금속간 화합물 결정 립 의 크기가 증가하는데, 이는 리플로우 횟수가 증가함에 따라 고속 전단강도 값과 충격 에너지 값이 다소간 감소한 원인이라 생각된다.
또한 리플로우 횟수가 1회에서 8회로 증가할수록 IMC 층이 점차 성장하는 것을 볼 수 있으며 이는 고속 전단 강도 저하에 직접적인 원인이 된 것으로 판단된다. ENIG의경우 솔더 접합부에 (Cu, Ni)6Sn5의 IMC 층이 형성된 것을 볼 수 있다.
1) 리플로우 횟수가 증가할수록 표면처리와 관계없이 고속 전단강도와 충격에너지 값이 감소한다. SEM 분석 결과 리플로우 횟수가 증가함에 따라 금속간화합물 층의 두께가 증가하게 되고 brittle fractured 분율이 점차 증가하면서 고속 전단강도와 충격에너지 값이 감소하게 되는 것으로 판단된다.
2) 표면처리는 리플로우 1회일때 ENEPIQ ENIG OSP 순으로 고속 전단강도와 충격에너지 값이 높고 8회일때 ENEPIQ OSP, ENIG 순으로 충격 에너지 값이 높았다. ENEPIG의 경우 Fd의 첨 가가(Cu, Ni)6Sti5의 계면 금속간화합물의 성장을 억제시켜 고속 전단강도 및 충격에너지값이 높게 나타나는 원인이 된 것으로 판단된다.
3) ENIG의 경우 리플로우 횟수가 증가함에 따라 금속간화합물 층에서 volume shrinkage에 의해 void가 생성되고 성장함에 따라서 고속 전단강도의 감소폭이 크게 나타나는 것으로 관찰되었다.
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