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문제 정의
- 7) 더불어 빠른 공정 속도와 환경 친화적인 공정으로 코펜하겐 협정에 따른 CO2 절감 효과 또한 기대할 수 있다. 본 연구는 솔더를 중간층으로 사용하여 접합 온도와 시간을 변수로 가지는 열압착법의 접합 조건을 최적화하기 위하여 진행되었으며, 선행연구로서 전통적으로 사용되었던 SnPb 솔더를 접합층으로서 이용하여 향후 연구의 기초적인 배경을 마련하기 위하여 진행되었다.
- 본 연구에서는 Sn-Pb 솔더를 접합층으로 채택하여 접합 시간과 온도에 따른 박리 강도 및 박리 시 파괴 에너지를 측정산출함으로써 최적의 접합 조건을 조사하였다. 열압착 접합 시 특히 온도 증가에 따라 접합 강도가 크게 증가하며 접합 온도와 시간에 비례하여 접합 강도가 증가하였다.
제안 방법
- 접합에 앞서 RPCB와 FRCB는 10 wt.% H2SO4 수용액에서 산세처리 및 DI water에서 수세처리를 통해 전극부 표면의 유기물 및 산화물을 제거하였다. 또한 rosin mildly activated (RMA)타입의 플럭스를 얇게 도포하여 전극에 대한 솔더의 젖음성을 향상시켰다.
- 195℃, 210℃, 225℃에서 7초간 접합한 접합부의 단면을 SEM을 통하여 관찰하였다 (Fig. 6). 195℃, 7초로 접합한 경우, 접합부 면적이 다른 두 조건에 비하여 상대적으로 좁아 완전한 접합이 이루어지지 않은 것을 관찰할 수 있었다.
- 8) 즉, adhesive층의 Tg 온도보다 높은 210℃의 온도에서 dipping 공정으로 인한 기판과 전극부의 접합 특성 변화및 박리 여부를 확인하기 위하여 dipping 전·후 FPCB의 전극부와 PI 사이의 박리 강도를 측정하였다.
- 8 mm/min의 속도로 90o 박리 시험을 통하여 접합 강도를 측정하였으며, 이때 나타나는 F-x (force-displacement) curve을 바탕으로 파괴 에너지 (fracture energy)를 산출하였다. Dipping 공정 후 광학현미경 (SZ61, Olympus, Japan)을 통해 외부 결함을 관찰하였고, 주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM, S3000H, Hitachi, Japan)을 통해 접합부의 단면 및 파단면을 관찰하였다. 또한 EDS (energy-dispersive X-ray spectroscopy, 7021-H, Horiba, Japan)을 통해 접합부의 금속간 화합물 (intermetallic compound, IMC)을 분석하였다.
- 또한 rosin mildly activated (RMA)타입의 플럭스를 얇게 도포하여 전극에 대한 솔더의 젖음성을 향상시켰다. FPCB상에 솔더층을 형성하기 위하여 온도 210℃로 용융된 Sn-37Pb 솔더에 2초간 침지 (dipping) 코팅을 실시하였다. 본 실험에서 접합을 위해 사용된 열압착 접합 장치는 TCW-215 (Avio, Japan)이며 몰리브덴으로 이루어진 저항발열체 tool이 사용되었다.
- Fig. 2는 접합에 사용된 열압착기의 사진과 그 접합 공정의 모식도이며, 접합 압력 1.17 MPa, 접합부 온도 195, 210, 225℃, 접합 시간 4, 7, 10, 13초의 조건 변수로 접합을 실시하였다. 이때 압력 조건의 경우는 210℃, 7초의 접합 조건을 고정 변수로 둔 사전 실험을 통해 최적 접합 압력을 도출하여 일정 압력 1.
- RPCB와 FPCB의 전극부는 총 24개의, 피치 500 µm, 선폭 250 µm, 길이 3.0 mm의 Cu 전극으로 이루어져 있으며, 접합 시 전기적 특성평가를 위해 데이지 체인 (daisy chain)을 구성하도록 설계되었다.
- Tool은 접합부 전면에 균일하게 열과 압력을 가하기 위해 접합부보다 넓은 16×2.8 mm의 사이즈로 제작되었고 tool의 재질과 면적에 따라 입열량의 차이를 보정하기 위하여 열전대를 이용하여 접합부의 온도를 실측하였다.
- 3). 각 조건별로 접합이 완료된 시편은 IPC 규격에 의거, 속도 50.8 mm/min의 속도로 90o 박리 시험을 통하여 접합 강도를 측정하였으며, 이때 나타나는 F-x (force-displacement) curve을 바탕으로 파괴 에너지 (fracture energy)를 산출하였다. Dipping 공정 후 광학현미경 (SZ61, Olympus, Japan)을 통해 외부 결함을 관찰하였고, 주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM, S3000H, Hitachi, Japan)을 통해 접합부의 단면 및 파단면을 관찰하였다.
- Dipping 공정 후 광학현미경 (SZ61, Olympus, Japan)을 통해 외부 결함을 관찰하였고, 주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM, S3000H, Hitachi, Japan)을 통해 접합부의 단면 및 파단면을 관찰하였다. 또한 EDS (energy-dispersive X-ray spectroscopy, 7021-H, Horiba, Japan)을 통해 접합부의 금속간 화합물 (intermetallic compound, IMC)을 분석하였다.
- % H2SO4 수용액에서 산세처리 및 DI water에서 수세처리를 통해 전극부 표면의 유기물 및 산화물을 제거하였다. 또한 rosin mildly activated (RMA)타입의 플럭스를 얇게 도포하여 전극에 대한 솔더의 젖음성을 향상시켰다. FPCB상에 솔더층을 형성하기 위하여 온도 210℃로 용융된 Sn-37Pb 솔더에 2초간 침지 (dipping) 코팅을 실시하였다.
- 0 mm의 Cu 전극으로 이루어져 있으며, 접합 시 전기적 특성평가를 위해 데이지 체인 (daisy chain)을 구성하도록 설계되었다. 또한 모든 전극부에 electroless nickel immersion gold (ENIG) 표면처리를 실시하였다.
- 접합 조건에 따라 파괴까지 필요한 파괴 에너지를 비교하기 위하여 박리 시험 시 측정된 박리 거리 대비 힘을 F-x curve로 나타낸 후 (Fig. 8), 이 곡선의 면적을 통하여 각 접합 조건의 파괴 에너지를 산출·비교하였다 (Fig. 9).
대상 데이터
- 본 실험에서 사용된 FPCB는 3 layer, single side 구조이며, 일반적으로 전극부와 기판의 사이에 존재하는 adhesive층의 Tg 온도는 약 170℃로서 기판을 이루는 PI 의 Tg 온도 약 340℃에 비하여 상대적으로 매우 낮다.8) 즉, adhesive층의 Tg 온도보다 높은 210℃의 온도에서 dipping 공정으로 인한 기판과 전극부의 접합 특성 변화및 박리 여부를 확인하기 위하여 dipping 전·후 FPCB의 전극부와 PI 사이의 박리 강도를 측정하였다.
- 본 실험에서 사용된 RPCB는 flame retardant 4 (FR4) 기판을 사용하였으며, FPCB는 polyimide (PI) 기판을 사용 하였다. RPCB와 FPCB의 전극부는 총 24개의, 피치 500 µm, 선폭 250 µm, 길이 3.
이론/모형
- FPCB상에 솔더층을 형성하기 위하여 온도 210℃로 용융된 Sn-37Pb 솔더에 2초간 침지 (dipping) 코팅을 실시하였다. 본 실험에서 접합을 위해 사용된 열압착 접합 장치는 TCW-215 (Avio, Japan)이며 몰리브덴으로 이루어진 저항발열체 tool이 사용되었다. Tool은 접합부 전면에 균일하게 열과 압력을 가하기 위해 접합부보다 넓은 16×2.
성능/효과
- 1) 이러한 전자 제품을 구성하는 전자 부품은 그 수와 양이 증가하는 추세에 있으며 이에 따라 각 요소들이 상호 유기적으로 최적의 구동이 가능하도록 시스템화하는 전자 패키징 기술의 개발이 요구된다.2) 전자 패키징 기술은 제품을 구성하는 각 부품들, 나아가서는 제품을 외부의 환경으로부터 보호하고, 필요한 요소들에 전원을 공급하며, 전기적 신호의 원활한 통로 역할을 하는 동시에 신호 처리 과정에서 발생한 열을 외부로 방출시키는 역할을 수행한다.3,4) 전자 제품 내부의 작은 공간에 다양한 부품을 구성하기 위해서다양한 전자 패키징 기술이 사용되는데, 이 중에서도 모듈과 모듈간의 연결에는 경성 인쇄 회로 기판 (Rigid Printed Circuit Board, RPCB)과 연성 인쇄 회로 기판 (Flexible Printed Circuit Board, FPCB) 간의 접합 기술이 필요하다.
- 또한 접합 온도와 시간의 증가에 따라 박리 시험 시 나타나는 파면 또한 변화를 보이는데, 225℃, 7초의 접합 조건에서 FPCB와 RPCB의 복합적인 기판 파괴가 발생하며 이때 가장 높은 박리 강도를 나타냈다. 225℃, 7초의 접합 조건 이상에서는 접합 시간에 따른 박리 강도의 차이는 거의 나타나지 않았으나 그 파괴 에너지에서 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 최적의 접합은 적정량의 입열량을 인가할 수 있는 접합 온도와 시간 조건에서 이루어진다는 것을 알 수 있었다. 본 실험에서 얻어진 최적 접합 조건은 225℃, 7초였다.
- 5) 또한 초음파 접합법의 경우 빠른 공정 속도, 낮은 접합 압력 및 온도 등의 장점이 있으나, 접합 강도와 신뢰성에서 문제가 제기되고 있다.6) 반면에 본 실험에서 사용된 솔더를 이용한 열압착법의 경우, 접합층으로서 솔더를 사용한다는 점에서 기존의 연구 결과와 일부 공정 방법을 활용할 수 있다는 장점이 있으며, 단순한 장비로 인하여 경제적인 측면에서도 저렴하다는 장점 또한 가지고 있다.7) 더불어 빠른 공정 속도와 환경 친화적인 공정으로 코펜하겐 협정에 따른 CO2 절감 효과 또한 기대할 수 있다.
- 6(c)를 통해서 솔더가 전극부의 양 가장자리로 밀려나서 상대적으로 넓은 접합부를 이루는 것을 알 수 있는데, 이러한 형태의 접합부가 FPCB 뿐만 아니라 RPCB의 기판과 전극의 계면에도 박리 시험시 응력부를 형성하는 것으로 사료된다. FPCB에 비하여 RPCB의 전극과 기판간의 접합 강도가 높기 때문에, FPCB와 RPCB의 복합적인 기판 파괴가 일어나는 225℃,7초의 접합 조건이 FPCB의 기판과 전극의 계면 파괴가 일어나는 210℃, 7초의 접합 조건보다 접합 특성이 뛰어나다는 것을 확인할 수 있었다.
- 8) 즉, adhesive층의 Tg 온도보다 높은 210℃의 온도에서 dipping 공정으로 인한 기판과 전극부의 접합 특성 변화및 박리 여부를 확인하기 위하여 dipping 전·후 FPCB의 전극부와 PI 사이의 박리 강도를 측정하였다. Fig. 4를 통해서 알 수 있듯이 dipping 공정 전후의 전극부와 기판간의 박리 강도는 큰 차이가 없으며 외관상으로도 박리 등의 문제가 없음을 확인할 수 있었다. 따라서 짧은 dipping 공정 과정에서 열로 인한 기판의 손상은 없는 것으로 판단되었다.
- 9). 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 박리 강도가 가장 높았던 225℃, 7초의 접합 조건이 가장 높은 파괴 에너지 값을 가지고 있는 것을 알 수 있었다. 또한 225℃, 10초의 접합 조건 이상에서는 박리 강도는 비슷했지만 오히려 파괴 에너지의 값이 감소하는데, 이를 통해 225℃, 7초의 접합 조건이 파괴 발생시 가장 많은 에너지를 필요로 하고, 더불어 최적의 접합 조건임을 확인할 수 있었다.
- 이를 통해 접합부에 가해지는 온도와 시간의 증가에 따라 솔더의 용융 정도가 변화하며, 그 결과 접합부의 형태가 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 더불어 225℃, 7초 이상의 접합 조건에서 솔더의 완전한 용융으로, 솔더가 FPCB와 RPCB 전극의 양쪽 측면까지 젖어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 접합 면적의 증가가 접합 특성을 향상시키는 결과를 나타낸 것으로 사료된다.
- 195℃, 7초로 접합한 경우, 접합부 면적이 다른 두 조건에 비하여 상대적으로 좁아 완전한 접합이 이루어지지 않은 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 융점이 183℃인 Sn-Pb 솔더가 접합부를 형성하기 위해서는 195℃, 7초보다 더 높은 온도 및긴 시간의 접합 조건이 필요할 것으로 판단되었다. 또한 210℃, 7초의 접합 조건에서는 솔더가 전극부 표면 전체에 고르게 분포하고 있는 것과, 225℃, 7초의 경우에는 솔더가 접합 과정에서 완전히 용융되어 전극부의 가장자리로 밀려나 접합부를 형성하고 있었다.
- 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 박리 강도가 가장 높았던 225℃, 7초의 접합 조건이 가장 높은 파괴 에너지 값을 가지고 있는 것을 알 수 있었다. 또한 225℃, 10초의 접합 조건 이상에서는 박리 강도는 비슷했지만 오히려 파괴 에너지의 값이 감소하는데, 이를 통해 225℃, 7초의 접합 조건이 파괴 발생시 가장 많은 에너지를 필요로 하고, 더불어 최적의 접합 조건임을 확인할 수 있었다.
- 접합부 온도 195℃, 접합 시간 4초의 조건에서는 미접합이 발생하며, 195℃, 7초 이상의 조건에서 접합이 이루어 지기 시작하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 온도와 시간이 증가할수록 접합 특성 또한 증가하는 경향을 나타내고 있으나, 접합부 온도 225℃, 7초의 접합 조건 이후부터는 22 N/cm의 박리 강도로 수렴되므로 이 조건이 최적의 조건임을 예상할 수 있었다.
- 솔더를 이용한 열압착법은 다른 RPCB-FPCB 접합법과 비교하여 접합 속도가 빠르고, 경제적인 접합법임과 아울러 친환경적인 접합법으로써, 고생산성, 친환경성, 고신뢰성을 요구하는 분야에 경쟁력 있는 접합법이 될 것으로 예상된다. 본 연구의 결과로부터 비교적 낮은 온도, 짧은 시간에서 양호한 RPCB와 FPCB간의 접합 특성을 얻을수 있음을 알 수 있었고, 이러한 솔더를 이용한 열압착법은 높은 접합 강도를 요구하는 전자 부품 간의 대량 접합에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 생각된다. 향후, 무연 솔더를 접합층으로 채택하여 RPCB와 FPCB 접합 시접합 온도 및 압력, 그리고 시간 등, 접합 조건의 최적화에 대한 연구와 더불어 접합부에 대한 다양한 신뢰성 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 또한 210℃, 7초의 접합 조건에서는 솔더가 전극부 표면 전체에 고르게 분포하고 있는 것과, 225℃, 7초의 경우에는 솔더가 접합 과정에서 완전히 용융되어 전극부의 가장자리로 밀려나 접합부를 형성하고 있었다. 이를 통해 접합부에 가해지는 온도와 시간의 증가에 따라 솔더의 용융 정도가 변화하며, 그 결과 접합부의 형태가 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 더불어 225℃, 7초 이상의 접합 조건에서 솔더의 완전한 용융으로, 솔더가 FPCB와 RPCB 전극의 양쪽 측면까지 젖어 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 특히 온도 변수에 따라 접합 특성의 차이가 크게 나타나는 것은 접합 시 솔더의 용융점과 밀접한 관련이 있는 것으로 사료된다. 접합부 온도 195℃, 접합 시간 4초의 조건에서는 미접합이 발생하며, 195℃, 7초 이상의 조건에서 접합이 이루어 지기 시작하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 온도와 시간이 증가할수록 접합 특성 또한 증가하는 경향을 나타내고 있으나, 접합부 온도 225℃, 7초의 접합 조건 이후부터는 22 N/cm의 박리 강도로 수렴되므로 이 조건이 최적의 조건임을 예상할 수 있었다.
후속연구
- 본 연구의 결과로부터 비교적 낮은 온도, 짧은 시간에서 양호한 RPCB와 FPCB간의 접합 특성을 얻을수 있음을 알 수 있었고, 이러한 솔더를 이용한 열압착법은 높은 접합 강도를 요구하는 전자 부품 간의 대량 접합에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 생각된다. 향후, 무연 솔더를 접합층으로 채택하여 RPCB와 FPCB 접합 시접합 온도 및 압력, 그리고 시간 등, 접합 조건의 최적화에 대한 연구와 더불어 접합부에 대한 다양한 신뢰성 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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