본 연구에서는 무연솔더볼 접합부의 신뢰성평가를 위해 굽힘충격 시험법을 사용하였다. 시험 방법의 표준화를 위하여 시험 시의 주파수, +/-진폭의 크기 등을 각각 변화하여 가면서 각 조건이 결과치에 미치는 영향을 분석하고 굽힘충격 시험을 위한 최적조건을 도출하였다. 굽힘충격 시험을 위한 최적조건은 주파수 10 Hz, 진폭은 (+12/-1)~(+15/-1)의 범위이었다. 시험에 사용된 PCB 표면처리는 Cu-OSP(Organic Solderability Preservative)와 ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold) 및 ENEPIG(Electroless Nickel, Electroless Palladium, Immersion Gold)의 3종류를 사용하였고, 솔더 접합계면과 파단면을 관찰한 결과 Cu-OSP와 ENIG의 경우 금속간 화합물 층을 따라서 균열이 발생하여 파단이 일어났으나, ENEPIG의 경우에는 주로 솔더 영역에서만 균열이 생성되고 성장하였다.
본 연구에서는 무연솔더볼 접합부의 신뢰성평가를 위해 굽힘충격 시험법을 사용하였다. 시험 방법의 표준화를 위하여 시험 시의 주파수, +/-진폭의 크기 등을 각각 변화하여 가면서 각 조건이 결과치에 미치는 영향을 분석하고 굽힘충격 시험을 위한 최적조건을 도출하였다. 굽힘충격 시험을 위한 최적조건은 주파수 10 Hz, 진폭은 (+12/-1)~(+15/-1)의 범위이었다. 시험에 사용된 PCB 표면처리는 Cu-OSP(Organic Solderability Preservative)와 ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold) 및 ENEPIG(Electroless Nickel, Electroless Palladium, Immersion Gold)의 3종류를 사용하였고, 솔더 접합계면과 파단면을 관찰한 결과 Cu-OSP와 ENIG의 경우 금속간 화합물 층을 따라서 균열이 발생하여 파단이 일어났으나, ENEPIG의 경우에는 주로 솔더 영역에서만 균열이 생성되고 성장하였다.
An impact bending test method was used to evaluate the reliability for the solder joint of lead-free solder ball. In order to standardize the test method, the four point impact bending test was applied under the conditions of various frequencies and amounts of +/-amplitude respectively. Effects on t...
An impact bending test method was used to evaluate the reliability for the solder joint of lead-free solder ball. In order to standardize the test method, the four point impact bending test was applied under the conditions of various frequencies and amounts of +/-amplitude respectively. Effects on the results were analysed. The optimum condition for impact bending test achieved in this study was the frequency of 10 Hz, and the amplitude of (+12/-1)~(+15/-1). 3 kinds of surface finishes Cu-OSP (Organic Solderability Preservative), ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), and ENEPIG (Electroless Nickel, Electroless Palladium, Immersion Gold) were used. Fracture surface showed that cracks were initiated and fractured along the intermetallic layer in the case of surface finishes of Cu-OSP and ENIG, while in the case of ENEPIG the cracks were initiated and propagated in the solder region.
An impact bending test method was used to evaluate the reliability for the solder joint of lead-free solder ball. In order to standardize the test method, the four point impact bending test was applied under the conditions of various frequencies and amounts of +/-amplitude respectively. Effects on the results were analysed. The optimum condition for impact bending test achieved in this study was the frequency of 10 Hz, and the amplitude of (+12/-1)~(+15/-1). 3 kinds of surface finishes Cu-OSP (Organic Solderability Preservative), ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), and ENEPIG (Electroless Nickel, Electroless Palladium, Immersion Gold) were used. Fracture surface showed that cracks were initiated and fractured along the intermetallic layer in the case of surface finishes of Cu-OSP and ENIG, while in the case of ENEPIG the cracks were initiated and propagated in the solder region.
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문제 정의
국외 규격 (JESD22-B113)4)에서도 굽힘 시험에 대한 시험편 기판 규격 및 시험법에 대해서만 명시하고 있다. 본 연구에서는 BGA등 솔더볼 접합부의 굽힘충격시험에서 결과값에 미치는 인자를 분석하고, 낙하충격특성을 간접적으로 평가하기 위한 최적조건을 도출하며, 솔더볼의 조성 및 표면처리에 따른 굽힘충격 특성을 비교 분석 하였다.
기판 표면처리 방법은 무전해 니켈 도금, Cu-OSP, 전해 Ni-Au도금, ENEPIG, 무전해 Sn 도금, 무전해 Ag 도금 등으로 변화하고 있다. 이 중에서 전기 전도성 및 표면 평활성이 우수한 OSP, ENIG 및 ENEPIG 표면처리가 가장 널리 이용되고있으므로 본 연구에서는 이 3가지 표면처리법을 의해 제조된 기판을 사용하여 결과를 비교하였다. 파단 후 파단면은 SEM에 의해 파단면 관찰을 하였다.
제안 방법
그리고 척도 모수(η)는 데이터의 척도와 관련이 있는 모수이며, 이는 값이 높을수록 정규 분포 형태를 따르며, 값에 따라 파단의 비율 및 빠르기를 보여준다.7)조성 및 진폭의 영향을 알아보고자 미니탭 프로그램의 와이블 분포를 활용하여 굽힘충격 특성수명을 평가하였다.
Fig. 7에서는 볼크기 450 µm일 때, 10 Hz, (+12, -1)의 조건으로 굽힘충격 시험하여 표면처리 OSP, ENIG, ENEPIG의 특성수명을 비교하였다.
을 적용 통계적으로 평가하였다. 기판의 종류와 스트레인 게이지 부착 위치에 따른 실제 굽힘충격 시험에서의 스트레인 변화량을 조사하기 위하여 두개의 기판 각각 앞뒷면에 3개씩의 스트레인 게이지를 부착하여 strain을 측정하였다. Fig.
무연솔더볼 접합부의 신뢰성평가를 위해 굽힘충격 시험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
주파수의 영향을 보기 위하여 Cu-OSP 표면처리된 기판위에 450 µm 크기 솔더볼 및 Sn-3.0Ag-0.5Cu을 사용하여 진폭조건은 (+12/-1)로 일정하게 하고 주파수를 2.53 Hz, 5 Hz 및 10 Hz의 3가지로 달리하여 실험하였다.
이 중에서 전기 전도성 및 표면 평활성이 우수한 OSP, ENIG 및 ENEPIG 표면처리가 가장 널리 이용되고있으므로 본 연구에서는 이 3가지 표면처리법을 의해 제조된 기판을 사용하여 결과를 비교하였다. 파단 후 파단면은 SEM에 의해 파단면 관찰을 하였다.
대상 데이터
SR높이는 15 µm로 동일하였다. Pad type으로 BGA side는 SMD(Solder Mask Defined)를 PCB side는 NSMD(Non-Solder Mask Defined)를 사용하였으며, upper side와 lower side의 크기는 동일하였다. 기판에 대한 자세한 데이터는 Table 1에 나타내고 있다.
굽힘충격 시험용 기판은 크기가 132×77×1 mm (JESD 22-B113, drop board)인 FR-4기판을 사용하였으며, 솔더볼의 배열은 8×8, 솔더 볼 피치간의 간격은 1.6 mm이었다.
시험편 제조를 위한 리플로우 시 예열구간 온도는 150~180℃, 217℃에서의 유지 시간은 40초이었으며, 최대 피크온도인 245℃에서 4초간 유지하였다. 본 연구에서 사용한 리플로우 장비는 5존의 열풍방식 KOKI KTM KT 250 이었다.
본 연구에서 사용한 솔더볼은 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305)와 Sn-1.0Ag-0.5Cu(SAC105)의 2종류 이었으며, 플럭스는 “UMICORE Tacky Flux WSA3810” 모델을 사용하였다.
데이터처리
6에 나타내고 있다. 각 주파수에 따른 비교값을 미니탭 프로그램의 일원분산분석을 활용하여 계산한 P값이 0.941이었고 이것은 기준값 0.05 보다 훨씬 높으므로 각 조건에서의 결과값은 통계적으로 서로 차이가 나지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 주파수는 2.
굽힘충격 시험에서는 결과값을 미니탭 프로그램5)을 적용 통계적으로 평가하였다. 기판의 종류와 스트레인 게이지 부착 위치에 따른 실제 굽힘충격 시험에서의 스트레인 변화량을 조사하기 위하여 두개의 기판 각각 앞뒷면에 3개씩의 스트레인 게이지를 부착하여 strain을 측정하였다.
5Cu(SAC105)의 2종류 이었으며, 플럭스는 “UMICORE Tacky Flux WSA3810” 모델을 사용하였다. 표면처리는 OSP, ENIG, ENEPIG를 사용하여 실험하였다. 시험편 제조를 위한 리플로우 시 예열구간 온도는 150~180℃, 217℃에서의 유지 시간은 40초이었으며, 최대 피크온도인 245℃에서 4초간 유지하였다.
성능/효과
(1) 낙하충격시험과 유사한 경향을 나타내기 위한 최적의 ⊕진폭은 +12~+15이고 ⊖진폭은 -1로 나타났다.
(2) 굽힘충격 시험 시 주파수가 2.53~10 Hz 범위에 있을 때 주파수에 따른 특성수명의 차이는 없었으며 이 범위 내에서 선택적으로 적용 가능함을 확인하였다. 또한 도금처리에 따른 특성평가결과 Cu-OSP > ENEPIG > ENIG 순으로 충격굽힘특성이 우수함을 보였다.
(3) 굽힘충격 시험 후 파단면 관찰 결과 Cu-OSP는 Cu pad와 금속간 화합물 층을 따라 파단이 일어나며, ENIG 의 경우에는 Ni 층과 금속간 화합물 층 사이에서 파단이 일어남을 알 수 있었다. ENEPIG는 다른 두 표면처리와는 달리 솔더 부분에서 파단이 일어났으며, 이는 Pd 층이 (Cu,Ni)6Sn5의 성장을 억제하여 IMC층의 취약함을 방지하였기 때문 것으로 생각된다.
(4) 스트레인 측정결과 3개의 스트레인 게이지 부착 결과 4점 충격 굽힘 시험에서는 중심부 보다는 최외각 부분이 많은 응력 및 스트레인이 발생함을 알 수 있으며, ⊖진폭이 커질수록 스트레인 값이 증가하는 것을 볼 수 있다.
6) 와이블 분포는 형상모수와 척도모수의 값에 따라 다양한 분포를 표현할 수 있다. 확률 밀도 함수는 다음 식으로 표현할 수 있다.
05이하이므로 통계적으로 차이가 있음을 의미하였다.9) 그림에서 보면 조성과 표면처리조건에 관계없이 (+10/-1)의 조건일 때가 (+10/-2) 및 (+10/-3)의 조건과 비교하여 월등히 특성수명이 높았다. 즉 소재의 물성차이에 기인하는 특성차이가 있을 경우라도 -2, 혹은-3조건으로 시험 시 전체적인 값이 너무 낮아 구분이 어려워진다.
따라서 낙하충격 특성을 간접적으로 평가하기 위해 굽힘충격 시험을 한다고 가정 시 동일한 경향을 얻기 위한 최적의 ⊕진폭은 +12에서 +15의 범위라고 할 수 있다. 또한 Cu-OSP 외에 ENIG, ENEPIG의 표면처리에서도 추가 실험을 실시한 결과 동일한 결과를 얻을 수 있었다.
또한 도금처리에 따른 특성평가결과 Cu-OSP > ENEPIG > ENIG 순으로 충격굽힘특성이 우수함을 보였다.
05이하면 유의한 수준이며, 이는 두 값이 통계적으로 차이가 있다는 의미한다. 본 시험의 결과값을 미니탭 프로그램의 일원분산분석을 활용 유의수준 평가 결과 모두 P 값이 0.000으로 0.05이하이므로 통계적으로 차이가 있음을 의미하였다.9) 그림에서 보면 조성과 표면처리조건에 관계없이 (+10/-1)의 조건일 때가 (+10/-2) 및 (+10/-3)의 조건과 비교하여 월등히 특성수명이 높았다.
이는 Ni3P로 판명되며, Park11)등은 P-rich Ni layer가 취약하므로 이 부분에서 파단이 일어난다고 설명하고 있다. 본 연구에서의 파단양상은 이전 연구자들11,12)의 파단 모드와 잘 일치함을 알 수 있었다. ENEPIG의 경우 솔더부분에서만 파단이 생성되고 성장하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
솔더볼이란?
솔더볼은 반도체 패키징 시 칩과 기판을 연결해 전기신호를 전달하는 미세한 구모양의 재료로 휴대폰·노트북·TV 등 전자기기의 소형화 또는 슬림화 추세에 힘입어 꾸준히 수요가 늘고 있다. 최근 들어 반도체 패키징 방식이 볼그리드 어레이(BGA), 칩스케일 패키지(CSP), 플립칩 등으로 변화하면서 기존의 리드프레임을 빠르게 대체하고 있다.
최근 반도체 패키징 방식이 어떻게 변화하고 있는가?
솔더볼은 반도체 패키징 시 칩과 기판을 연결해 전기신호를 전달하는 미세한 구모양의 재료로 휴대폰·노트북·TV 등 전자기기의 소형화 또는 슬림화 추세에 힘입어 꾸준히 수요가 늘고 있다. 최근 들어 반도체 패키징 방식이 볼그리드 어레이(BGA), 칩스케일 패키지(CSP), 플립칩 등으로 변화하면서 기존의 리드프레임을 빠르게 대체하고 있다.1,2)
솔더 볼 접합부에 대한 신뢰성 평가를 위해 일반적으로 무엇을 사용하고 있는가?
솔더볼이 적용된 제품인 이동 전화, PDA와 같은 휴대용 디바이스는 사용 중에 부주의에 의해 떨어지는 경우가 종종 발생하며, 따라서 솔더 볼 접합부에 대한 신뢰성 평가가 요구된다. 접합부의 신뢰성 평가를 위하여 일반적으로 JEDEC에서 제정한 낙하충격 시험법을 사용하고 있으나 낙하충격 시험법은 고비용과 장시간이 필요한 단점이 있다.3)
참고문헌 (14)
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