본 연구에서는 상용 고온 솔더 중 많이 쓰이고 있는 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb 솔더에 대한 열충격 시험, 열싸이클 시험, 고온 진동 복합 시험 신뢰성 평가를 하였다. 테스트 샘플을 제작하기 위해 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb 솔더볼을 ENIG 표면 처리된 BGA에 접합하였으며, 그 후 BGA샘플을 OSP 표면 처리된 PCB에 실장 하였다. 신뢰성평가 동안 저항변화를 측정하였으며 신뢰성 평가 전후 전단강도 시험을 통하여 접합강도의 변화를 평가하였다. Sn-3.5Ag의 솔더인 경우 전기저항과 접합강도의 저하가 비교 평가한 3가지 솔더 중 가장 높은 저하율을 보였으며 Sn-0.7Cu의 솔더가 신뢰성 평가 후에 비교적 높은 안정성을 나타내었다.
본 연구에서는 상용 고온 솔더 중 많이 쓰이고 있는 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb 솔더에 대한 열충격 시험, 열싸이클 시험, 고온 진동 복합 시험 신뢰성 평가를 하였다. 테스트 샘플을 제작하기 위해 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb 솔더볼을 ENIG 표면 처리된 BGA에 접합하였으며, 그 후 BGA샘플을 OSP 표면 처리된 PCB에 실장 하였다. 신뢰성평가 동안 저항변화를 측정하였으며 신뢰성 평가 전후 전단강도 시험을 통하여 접합강도의 변화를 평가하였다. Sn-3.5Ag의 솔더인 경우 전기저항과 접합강도의 저하가 비교 평가한 3가지 솔더 중 가장 높은 저하율을 보였으며 Sn-0.7Cu의 솔더가 신뢰성 평가 후에 비교적 높은 안정성을 나타내었다.
In this study, the reliability of thermal shock, thermal cycle, and complex vibration test at high temperature were examined for 3 types of lead-free solder alloys, Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu and Sn-5.0Sb. For the reliability test, daisychained BGA chips with ENIG-finished Cu pad was assembled with the thre...
In this study, the reliability of thermal shock, thermal cycle, and complex vibration test at high temperature were examined for 3 types of lead-free solder alloys, Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu and Sn-5.0Sb. For the reliability test, daisychained BGA chips with ENIG-finished Cu pad was assembled with the three lead-free solders on OSP-finished PCBs. Among the 3 types solder alloys, Sn-3.5Ag solder alloy showed the highest degradation rate of electrical resistance and joint strength. On the other hand, Sn-0.7Cu solder alloy had high stability after the reliability tests.
In this study, the reliability of thermal shock, thermal cycle, and complex vibration test at high temperature were examined for 3 types of lead-free solder alloys, Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu and Sn-5.0Sb. For the reliability test, daisychained BGA chips with ENIG-finished Cu pad was assembled with the three lead-free solders on OSP-finished PCBs. Among the 3 types solder alloys, Sn-3.5Ag solder alloy showed the highest degradation rate of electrical resistance and joint strength. On the other hand, Sn-0.7Cu solder alloy had high stability after the reliability tests.
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문제 정의
본 연구에서는 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb의 고온 무연 솔더를 대상으로 자동차 사용 환경에 맞는 신뢰성을 대변할 수 있도록 열충격 시험, 열싸이클 시험, 복합진동 시험에 대하여 신뢰성 평가를 하였다. 각 신뢰성 시험 결과 후 접합 강도를 측정한 바 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
%로 표기하였다. BGA의 경우 Cu 패드를 ENIG로 표면처리 하였고, PCB Board는 Cu 패드를 OSP 처리를 실시하였다. Table 1에 도시된 조건에 따라 리플로우 공정을 통하여 각 무연 솔더볼을 BGA칩 위에 접합하였다.
0Sb 솔더에 대한 열피로 신뢰성을 열충격, 열싸이클 시험, 두 가지 방법으로 평가하였고, 또한 자동차의 사용 환경과 유사한 복합환경진동시험을 수행하였다. 각 시험 동안 전기 저항의 변화를 관찰하였으며 전단 강도 시험을 통하여 시험 전 후의 접합 강도를 비교 하였다.
따라서 본 연구에서는 상업적으로 많이 사용되며, 융점이 대체적으로 높은 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb 솔더에 대한 열피로 신뢰성을 열충격, 열싸이클 시험, 두 가지 방법으로 평가하였고, 또한 자동차의 사용 환경과 유사한 복합환경진동시험을 수행하였다. 각 시험 동안 전기 저항의 변화를 관찰하였으며 전단 강도 시험을 통하여 시험 전 후의 접합 강도를 비교 하였다.
열충격, 열사이클, 복합진동시험 일정 사이클 마다 시편을 챔버에서 꺼내어 저항측정기(MultiMeter 3700, Keithley)를 이용, 전기 저항을 측정하였다. 또한, 시험 중 전단 강도 시험을 통하여 접합 강도를 측정하였다. 전단 강도 시험은 DAGE-4000 (Nordson Co.
) 장비를 이용하였고, 전단속도는 200 µm/s, 전단강도기의 팁은 PCB의 솔더 마스크에서 50 µm 높이에 위치시켜 전단 시험을 진행하였다. 또한, 주사전자현미경(SEM)을 통해 시편의 단면 분석 및 전단 강도 시험 후의 파면 분석을 실시하였다.
열충격, 열사이클, 복합진동시험 일정 사이클 마다 시편을 챔버에서 꺼내어 저항측정기(MultiMeter 3700, Keithley)를 이용, 전기 저항을 측정하였다. 또한, 시험 중 전단 강도 시험을 통하여 접합 강도를 측정하였다.
열피로 시험은 열충격시험과 열싸이클시험, 두 종류의 방법으로 진행하였다. 열충격 시험은 VT 7012 S2 (Votsch Co.
8 m/s2 였다. 위와 같은 진동복합시험을 x, y, z축 차례대로 1회씩 실시하였고, 다시 1회씩 더 실시하여 총 120시간의 복합진동실험을 실시하였다.
전단 강도 시험은 DAGE-4000 (Nordson Co.) 장비를 이용하였고, 전단속도는 200 µm/s, 전단강도기의 팁은 PCB의 솔더 마스크에서 50 µm 높이에 위치시켜 전단 시험을 진행하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 솔더의 조성은 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb이었으며 솔더볼의 직경은 450 µm이었다.
열충격, 열싸이클 시험의 온도 범위는 자동차의 사용환경인 -40~150℃ 이었으며 고온과 저온에서의 유지 시간은 각 10분이었고 한 싸이클의 시간은 25분 이었다. 시험은 각각 1500 싸이클까지 진행하였다. 복합진동시험의 경우 진동을 가하면서 온도 조건을 변화켰는데, 이 때 온도 조건은 Fig.
성능/효과
1. 열충격, 열사이클, 복합진동 신뢰성 평가후 IMC의 두께변화는 Sn-0.7Cu가 가장 적었으며, 이는 솔더 내의 Cu확산에 대한 구동력 감소 때문이라고 생각된다.
2. 신뢰성 평가시 전기 저항 증가는 Sn-3.5Ag가 가장 높았으며 Sn-0.7Cu와 Sn-5.0Sb는 상대적으로 안정된 경향을 보였다.
3. 각 신뢰성 시험 진행 후 전단 강도 시험 결과 접합 강도는 Sn-3.5Ag 솔더가 두드러지게 저하되는 것으로 나타났다. 이는 Ag3Sn의 조대화 및 IMC 두께의 증가에 기인하였다.
4. 각 신뢰성 시험 후 접합 강도 저하의 경향을 토대로 Sn-0.7Cu가 Sn-3.5Ag, Sn-5.0Sb 솔더에 비하여 상대적으로 안정된 경향을 나타냄을 확인하였다. 따라서 자동차 전장 보드용 고온 솔더로 본 연구에서 사용된 3가지 솔더를 비교하면 Sn-0.
5Ag에 대해서는 솔더 계면에 형성되는 판상의 Ag3Sn이 성장하면서 전기 저항의 증가에 보다 기여하는 것으로 보인다. Fig. 4의 결과에서 Sn-0.7Cu와 Sn-5.0Sb가 Sn-3.5Ag에 비하여 열충격, 열싸이클과 같은 열피로 환경이나 복합진동 환경에서 상대적으로 안정적임을 알 수 있었다.
6에 나타내 었다. 각 솔더의 계면 반응으로 생긴 IMC의 조성은 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb 모두 동일하게 Cu6Sn5이었다. Sn-3.
시험 시간이 증가하면서 모든 무연 솔더에서 전기 저항이 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 열충격, 열싸이클 시험 결과, 싸이클 수가 증가 할수록 Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb 솔더에 비하여 Sn-3.5Ag 솔더의 전기 저항 증가율이 급격하게 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 각 시험이 1500 싸이클 진행된 후, Sn-3.
0Sb 솔더에 비하여 상대적으로 안정된 경향을 나타냄을 확인하였다. 따라서 자동차 전장 보드용 고온 솔더로 본 연구에서 사용된 3가지 솔더를 비교하면 Sn-0.7Cu가 안정적일 것으로 판단된다.
7Cu의 경우 열피로 시험 및 복합진동시험에서 시험 전후 IMC의 두께 증가가 두드러지게 나타나지 않았으며 세 가지의 무연 솔더 중에서 가장 얇은 두께를 나타내었다. 또한 Sn-3.5Ag의 경우에 Fig. 9에서 보는 바와 같이 각 시험 후 Ag3Sn이 조대화되는 것을 확인 할 수 있었다. Sn-3.
0Sb의 경우에는 60시간까지는 14%가량 감소하다가 120시간 후에는 15%로 감소하여 초기의 감소 폭에 비해 감소량이 줄어드는 경향을 나타내었다. 반면에 Sn-0.7Cu의 120시간 후의 감소율은 7% 수준으로 열피로시험에서와 유사하게 접합강도의 감소가 작아, 상대적으로 좋은 신뢰성을 보였다. Fig.
0Sb 솔더는 열싸이클 시험의 경우에는 1500 싸이클 이후 35%, 44%가 증가하였으며 열충격 시험의 경우에는 25%, 32%의 증가량을 보였다. 복합진동시험의 경우에는 Sn-3.5Ag의 전기저항 증가량은 120시간 후 35%이었으며 Sn-0.7Cu와 Sn-5.0Sb는 각각 7%, 10%의 증가량을 보여, 열피로 시험에서 비슷하게 Sn-3.5Ag가 급격하게 증가하는 경향을 나타냈었다. Kang10)등은 멀티 리플로우 혹은 시효처리시 전기 저항이 증가하는 것을 관찰하였으며, 이러한 저항증가의 이유는 계면 IMC 증가와 크랙 등 내부결함 증가에 기인하는 것으로 보았다.
5Ag의 경우 열피로 시험이 진행됨에 따라 전기 저항이 급격하게 증가하고, 접합 강도는 반대로 두드러지게 감소하는 관계를 나타냈었다. 복합진동시험의 경우에도 열충격, 열싸이클 시험과 같은 열피로 시험 결과와 유사하게 시험 시간이 증가할수록 접합 강도가 초기 값에 비해 감소하는 경향을 나타내었다. Sn-3.
4에 도시하였다. 시험 시간이 증가하면서 모든 무연 솔더에서 전기 저항이 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 열충격, 열싸이클 시험 결과, 싸이클 수가 증가 할수록 Sn-0.
7Cu의 경우에는 초기 강도가 낮음에도 열충격, 열싸이클 시험 결과 다른 두 솔더에 비하여 강도의 감소율이 낮았다. 열싸이클 시험과 열충격 750 싸이클 진행 결과 강도의 감소는 각각 10%, 3%이었으며, 1500 싸이클 진행 후에는 각각 40%, 30%의 감소율을 나타내었다. 특히 750 싸이클까지의 강도 감소는 열피로 시험에서 다른 두 솔더에 비해 훨씬 낮았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자동차 엔진부에는 어떤 특성을 가진 무연 솔더가 적용되어야 하는가?
6) 따라서 일반적인 전단강도 시험이나 상온에서 이루어지는 기계적 신뢰성 시험으로는 자동차 사용의 실제 사용환경에 대한 신뢰성을 정확히 판단하기 어렵다. 또한, 자동차 엔진부에 사용되는 무연 솔더도 융점이 높은 고온 솔더가 적용이 되어야 한다. 일부 연구에서 자동차 환경과 유사한 조건에서 열 사이클 및 진동 시험에 대한 연구도 진행되고 있으나, 고온솔더를 사용하고 온도사이클 환경에서 진동을 가하는 복합 환경에서 진행된 연구는 아니었다.
본 연구에서 자동차 전장 보드용으로 신뢰성 평가 진행을 위해 사용된 무연 솔더는 무엇인가?
따라서 본 연구에서는 상업적으로 많이 사용되며, 융점이 대체적으로 높은 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb 솔더에 대한 열피로 신뢰성을 열충격, 열싸이클 시험, 두 가지 방법으로 평가하였고, 또한 자동차의 사용 환경과 유사한 복합환경진동시험을 수행하였다. 각 시험 동안 전기 저항의 변화를 관찰하였으며 전단 강도 시험을 통하여 시험 전 후의 접합 강도를 비교 하였다.
본 연구에서 무연 솔더에 대한 열피로 신뢰성은 어떤 시험으로 평가하였는가?
7Cu, Sn-5.0Sb 솔더에 대한 열피로 신뢰성을 열충격, 열싸이클 시험, 두 가지 방법으로 평가하였고, 또한 자동차의 사용 환경과 유사한 복합환경진동시험을 수행하였다. 각 시험 동안 전기 저항의 변화를 관찰하였으며 전단 강도 시험을 통하여 시험 전 후의 접합 강도를 비교 하였다.
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