[논문]시효처리한 Sn-xAg-Cu계 무연솔더 조성에 따른 굽힘충격 특성평가

장임남; 박재현; 안용식

doi:10.6117/kmeps.2011.18.2.049

시효처리한 Sn-xAg-Cu계 무연솔더 조성에 따른 굽힘충격 특성평가
Bending Impact Properties Evaluation of Sn-xAg-Cu Lead Free Solder Composition and aging treatment 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.18 no.2, 2011년, pp.49 - 55

장임남 (부경대학교 신소재공학부) , 박재현 (포항산업과학연구원) , 안용식 (부경대학교 신소재공학부)

초록
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전자기기에서의 고장 중 대부분은 작동 중 발생하는 열과 충격에 기인한다. 이 열과 충격은 PCB(Printed Board) 부품의 접합부 계면에 균열을 야기 시키고, 이 균열은 금속간 화합물(Intermetallic Compound: IMC)의 형성과 밀접한 관계를 가진다. 본 연구에서는 Sn-Ag-Cu계의 Ag함량을 변화한 Sn-1.0Ag-0.5Cu와 Sn-1.2Ag-0.5Cu 및 Sn-3.0Ag-0.5Cu의 3가지 조성의 솔더로 접합한 소재를 대상으로 1000시간 까지 등온시효(Isothermal Aging) 하였다. 등온시효 동 안 솔더(Solder)의 계면에 발생하는 IMC(Intermetallic Compound) 성장이 관찰되었으며, solder 접합부의 기계적 특성은 굽힘충격 시험법을 이용하여 평가되었다. 그 결과 시효처리 전에는 Ag 함량이 낮은 solder의 굽힘충격 특성이 우수하게 나타났으나, 시효처리 후에는 반대의 결과를 나타내었다. 이 결과는 IMC layer 주변에 생성된 미세한 $Ag_3Sn$ 및 조대한 $Cu_6Sn_5$와 관련되어, 미세한 $Ag_3Sn$이 충격을 완화한 것으로 나타나 이에 따라 굽힘충격 특성에 차이가 나타남을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The failure of electronic instruments is mostly caused by heat and shock. This shock causes the crack initiation at the solder joint interface of PCB component which is closely related with the formation of intermetallic compound(IMC). The Ag content in Pb-free Sn-xAg-0.5Cu solder alloy used in this study was 1.0, 1.2 and 3.0 wt.%, respectively. After soldering with PCB component, isothermal aging was performed to 1000 hrs. The growth of IMC layer was observed during isothermal aging. The drop impact property of solder joint was evaluated by impact bending test method. The solder joint made with the solder containing lower Ag content showed better impact bending property compared with that with higher Ag content. On the contrary to this result, the solder joint made with solder containing higher Ag content showed better impact bending property after aging. It should be caused by the formation of fine $Ag_3Sn$, which relieved the impact. It showed consequently the different effect of fine $Ag_3Sn$ and coarse $Cu_6Sn_5$ particles formed in the IMC layer on the impact bending property.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

이는 낙하시험 고장 기준과 동일하게 적용하였다. 또한 금속간 화합물 층을 분석하기 위하여 솔더 접합부 단면을 SEM 및 EDS 분석을 통해 솔더 접합부 계면에 형성된 IMC의 두께와 종류를 분석하였다.
그러나 이 방법은 고 비용과 장시간이 소모된다. 본 연구에서는 낙하충격 시험법을 대체하여 굽힘충격 시험법을 사용하였으며, 특히 선행 연구²⁾에서 충격특성이 가장 잘 나타나는 최적 굽힘충격 시험 조건 즉, 굽힘 시험기의 파형, 주파수, 진폭 등을 사용하여 솔더 조성과 등온시효 시간에 따른 솔더 접합부의 충격 특성을 비교 분석하였다.
하지만 다른 것은, 굽힘충격 시험편의 경우에는 PCB의 최외각 6개의 부품이 탑재 되지 않은 시험편을 이용하였으며, 이는 충격 지그로 인한 시료의 직접적인 영향을 줄이기 위함이었다. 시험조건은 이전의 굽힘충격 연구²⁾에서 특성 수명을 가장 잘 나타내었던 조건인 주파수 10 Hz, 굽힘 시의 진폭은 +12, -1 mm로 하였으며, 파형은 스텝파형으로 4점 충격 굽힘 시험을 하였다. 시험 시 파단에 의한 저항증가 측정을 위한 장비는 키슬리 2701멀티 메타(사양: 저항측정은 초당 1000개 이상, 저항 값 기록의 경우 1초당 20개 이상, 최대 측정가능 저항은 10⁸ Ω 이상)를 사용하였다.
위의 3가지 조성(SAC305, SAC1205, SAC105)의 솔더에서 솔더링된 시료를 가지고 온도 150℃에서 200 hrs, 500 hrs, 1000 hrs 동안 각각 시효처리 하였고, 각각의 솔더 부는 굽힘충격 시험에 의해 기계적 특성을 평가하였다. 굽힘충격 시험은 4점 굽힘 시험기를 사용하였으며, 각 시효 조건에서 2개의 시험 보드를 사용하였고, 조건 당 18개의 데이터를 도출하였다.

대상 데이터

위의 3가지 조성(SAC305, SAC1205, SAC105)의 솔더에서 솔더링된 시료를 가지고 온도 150℃에서 200 hrs, 500 hrs, 1000 hrs 동안 각각 시효처리 하였고, 각각의 솔더 부는 굽힘충격 시험에 의해 기계적 특성을 평가하였다. 굽힘충격 시험은 4점 굽힘 시험기를 사용하였으며, 각 시효 조건에서 2개의 시험 보드를 사용하였고, 조건 당 18개의 데이터를 도출하였다. 굽힘충격 시험을 위한 지그의 형상 및 치수는 Fig.
시험편 제조를 위한 리플로우 조건은 예열구간 온도는 150~180℃에서 유지 시간은 60~120초, 217℃에서의 유지 시간은 40초이었으며, 최대 피크 온도인 245℃에서 4초간 유지하였다. 본 연구에서 사용한 리플로우 장비는 5존의 열풍방식 KOKI KTM KT 250를 사용하였다.
본 연구에서 사용한 솔더 볼은 Sn-Ag-Cu 합금계 중에서 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu(SAC305)와 Sn-1.2gwt%-0.5wt%Cu(SAC1205), Sn-1.0wt%Ag-0.5wt%Cu(SAC105) 의 Ag함량을 다르게 한 3종류 이었으며, 볼의 크기는 450 µm, 플럭스는 “UMICORE Tacky Flux WSA3810” 모델을 사용하였다.
시험 시 파단에 의한 저항증가 측정을 위한 장비는 키슬리 2701멀티 메타(사양: 저항측정은 초당 1000개 이상, 저항 값 기록의 경우 1초당 20개 이상, 최대 측정가능 저항은 108 Ω 이상)를 사용하였다.
충격 굽힘 시험용 기판은 크기가 JESD 표준 PCB기판 크기에 의해 132×77×1 mm3로 제작되었다.
크기가 15×15×1 mm3 인 BGA 기판을 각각 사용하여 실험하였으며, 솔더 볼의 배열은 8×8 array, 솔더 볼 피치간의 간격은 1.6 mm이였다.

이론/모형

본 실험에서는 와이블(Weibull) 확률분포를 이용하여 특성수명을 나타내었다. 일반적으로 전자/기계 부품의 마모고장에 의한 수명분포를 표현하는 가장 유용한 방법으로서 다음 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.

성능/효과

여기서는 Fig. 3(a)의 SAC305일 때의 시효시간에 따른 특성수명과 동일한 특성수명 값을 나타내었으며, 특히 시효시간 200 hrs의 경우 조성 SAC305에 비하여 수명이 급격히 떨어진 것을 확인 할 수 있다. Fig.
(b)에서 시효시간 200 hrs에서 조성에 따라 비교한 결과 as-reflow의 경우와 반대로 SAC305> SAC1205> SAC105의 순으로 63.2% 특성수명이 우수하게 나타났으며, 이 중 SAC1205와 SAC105의 수명 차이는 크게 나타나지 않았다.
(b)의 200 hrs 시효에 비하여 조성에 따른 수명 차이가 뚜렷하게 나타나지는 않았으나 SAC305> SAC1205> SAC105의 순으로 특성수명이 우수하게 나타났다.
1. Solder ball의 as reflow 상태에서는 SAC105> SAC1205> SAC305 순으로 굽힘충격 특성이 우수하게 나타났으므로 Ag함량 낮을수록 굽힘충격 특성이 우수한 결과가 나타났다.
2. 시효시간이 증가함에 따라 조성에 관계없이 굽힘충격 특성이 낮아졌으며, SAC305의 경우 시효시간에 따른 굽힘충격 특성 저하의 차가 다른 두 조성 SAC105, SAC1205보다 적은 것으로 나타났다. 이는 등온시효 후 Ag함유량이 낮을수록 IMC layer 주변에 솔더 볼에서 석출되는 미세한 Ag₃Sn의 생성이 적었으므로 IMC layer 주변에 상대적으로 Cu₆Sn₅의 형성이 증가하여 전체적인 기계적 특성에 영향을 준 것으로 분석된다.
3. As reflow에서 SAC105가 SAC305보다 굽힘충격 특성이 우수하였던 이유는, as reflow에서 조성 SAC105는 IMC와 솔더 볼 사이에서 파단이 일어났으나 SAC305에서는 IMC layer 자체에서 파단이 일어났기 때문인 것으로 판단된다.
4. SAC105는 200 hrs 시효 이후 부품에서의 파단모드가 IMC layer 자체로 변화하였으며, 500 hrs 이후 기판 부분에서도 파단이 발생하였다. 기판 부분의 경우 IMC layer 주변에 Cu₆Sn₅의 과대하게 형성되었기 때문에 시효 후 기계적 특성이 급격히 저하된 것으로 분석된다.
5. 시효시간이 증가함에 따라 조성에 관계없이 IMC layer가 증가하며, 조성별 IMC층 두께는 대체적으로 SAC305가 SAC105보다 높게 나타났다. 그러나 시효처리 후의 굽힘충격 특성과 IMC layer의 성장과의 관계가 크지 않은 것으로 판단된다.
5%이상으로 높을 때 IMC layer의 Cu₆Sn₅ 화합물 생성 주변의 Ag가 주변의 Sn과 반응하여 IMC 주변에 미세한 Ag₃Sn을 생성하고 시효시간의 증가로 인하여 균일하게 분포되어 솔더 접합부의 신뢰성을 향상시킨다는 것으로 보고하였다.⁶⁾ 이러한 관찰결과는 Ag 함량이 높은 조성 SAC305가 다른 조성에 비하여 시효처리에 대한 저항성이 우수한 것으로 나타난 본 연구의 결과와 잘 일치한다. 또한 조성 SAC105는 as reflow상태에서는 Ag함량이 적어서 단단하지 않은 솔더 볼 파단으로 파단 경로를 확장하여 굽힘충격 수명을 증가 시켰지만 장시간 시효처리 후 솔더 내에 IMC 층이 증가하고 IMC 층 주변에 Ag₃Sn이 SAC305보다 적고, 크기가 상대적으로 큰 Cu₆Sn₅의 형성이 증가하여 결국 파단의 원인으로 작용한 것으로 생각된다.
63.2% 특성수명은 0 hr >200 hrs > 500 hrs > 1000 hrs의 순으로 높게 나타났으며 500 hrs와 1000 hrs에서의 특성수명 차이는 뚜렷하게 나타나지 않았다.
일반적으로 IMC 층은 취약하여 대부분 취성파괴형태를 띄며, 이 부분에서의 균열의 생성과 성장은 수명의 급격한 저하를 가져온다고 알려져 있다.⁹⁾ 이와 같이 IMC 층에서의 균열의 생성과 성장이 굽힘충격 수명에 영향을 주기 때문에 IMC와 솔더 사이에서 파단이 발생한 SAC105가 SAC305와 비교하여 굽힘충격 특성이 우수하였다고 생각된다. 또한 Fig.
전체적으로 볼 때 파단은 대부분 부품 쪽(a)에서 발생하였으며, 시효시간에 관계없이 금속간 화합물인 Cu₆Sn₅자체에서 모두 파단이 일어난 것을 확인할 수 있었으며 시효시간이 증가함에 따라 IMC layer가 성장하는 것을 알 수 있었다. As reflow 상태에서 금속간화합물은 Cu₆Sn₅가 생성되었고, 200hrs 이상에서 Cu₆Sn₅, Cu₃Sn의 금속간화합물이 생성되었으며 시효시간이 증가할수록 두 개의 금속간 화합물 층이 모두 증가하였다. Fig.
As-reflow상태에서 조성 SAC305, SAC1205, SAC105 3종류를 비교한 결과 63.2% 특성수명은 SAC105> SAC1205> SAC305의 순으로 우수하였다[Fig.
따라서 k 값이 Ag함량이 높은 SAC305가 높게 나타난 것을 확인할 수 있었으며, 이것이 조성에 따른 IMC 두께의 차이를 발생시킨 것으로 판단된다. 그러나 본 연구에서 굽힘충격 시험 결과 시효처리 전에는 IMC 두께가 더 작았던 SAC105가 SAC305보다 더 우수하게 나타났으나 시효처리 후에는 SAC305의 IMC layer가 더 큼에도 불구하고 굽힘충격 특성이 SAC105보다 더 우수한 것으로 나타났다. IMC layer의 두께는 증가할수록 취약해지고 대부분 취성파괴형태를 띄며 이 부분에서의 균열의 생성과 성장은 충격수명의 급격한 저하를 가져온다고 보고되어있다.
그러나 시효시간 200 hrs 이상에서는 반대로 SAC305> SAC1205> SAC105 순으로 즉 Ag함량 높을수록 시효에 대한 굽힘충격 특성이 우수하게 나타났다.
6은 조성과 시효시간에 따른 IMC layer 두께를 측정한 결과이다. 두 조성 모두 시효시간이 증가함에 따라 IMC layer가 증가하였으며, 조성별 IMC layer는 대체적으로 SAC305가 SAC105 보다 두꺼웠다. 이는 시효처리와 Ag의 함량에 따른 IMC layer의 성장에 대한 연구를 한 Lee⁶⁾의 결과와 일치하며 따라서 Ag함량이 증가함에 따라 IMC layer의 두께도 증가한다는 결과를 얻을 수 있었다.
즉 시효시간이 증가함에 따라 조성과 관계없이 모두 특성수명이 감소하였으며, 조성별로는 SAC305는 500 hrs 에서 굽힘충격 특성 수명이 급격하게 감소하는 것을 확인 할 수 있었고 SAC1205, SAC105는 200 hrs 에서부터 굽힘충격 특성 수명이 급격히 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서 Ag 함량이 가장 높은 SAC305의 경우 시효시간에 따른 굽힘 충격 특성 저하의 차가 다른 두 조성에 비하여 적은 것으로 나타났다. 시효시간과 Ag함량 변화에 따른 IMC의 성장을 X-선 회절분석(X-Ray Diffraction, XRD)로 관찰한 Chang⁶⁾ 연구에서는, 시효시간 1000 hrs 일 경우 Ag함량이 1~1.
따라서 Fig. 6의 등온시효 시간과 따른 IMC 두께로 부터 성장속도계수 k 값을 계산하여 평균한 결과 SAC105는 2.09×10-3 µm/h이며 SAC305는 2.19×10-3 µm/h으로 나타났다.
19×10^-3 µm/h으로 나타났다. 따라서 k 값이 Ag함량이 높은 SAC305가 높게 나타난 것을 확인할 수 있었으며, 이것이 조성에 따른 IMC 두께의 차이를 발생시킨 것으로 판단된다. 그러나 본 연구에서 굽힘충격 시험 결과 시효처리 전에는 IMC 두께가 더 작았던 SAC105가 SAC305보다 더 우수하게 나타났으나 시효처리 후에는 SAC305의 IMC layer가 더 큼에도 불구하고 굽힘충격 특성이 SAC105보다 더 우수한 것으로 나타났다.
As reflow 에서는 부품 쪽(a)의 IMC와 솔더 사이에서 crack이 생성되어 파단이 일어난 것으로 관찰되었으며, 200 hrs 이후로 부터는 부품 쪽과 기판 부분에서 모두 파단이 일어났으며, 부품 쪽은 SAC305와 동일하게 IMC layer 차체에서 파단이 일어났다. 또한 조성 SAC305와 동일하게 200 hrs에서 Cu₆Sn₅, Cu₃Sn의 금속간화합물이 생성되었으며 시효시간이 증가함에 따라 두 개의 금속간 화합물 층이 모두 증가하였으며, 500 hrs 와 1000 hrs 에서는 기판 부분에서도 파단이 일어났으며, 이 파단은 솔더 볼과 IMC layer 사이에서 파단이 일어난 것을 관찰 할 수 있었다. As reflow에서 조성 SAC305의 경우 IMC layer 자체에서 파단이 일어났으나, 조성 SAC105는 대부분 IMC와 솔더 사이에서 파단이 발생하고, 솔더 볼 내부로 파단이 진행된 것을 확인 할 수 있다.
¹⁰⁾ 그러나 본 연구에서는 시효처리 후에는 이러한 결과와 일치되지 않았다. 이러한 결과는 Ag함유량이 증가할수록 시효 중 IMC에서 Ag가 분리되어 주변의 Sn과 반응하여 Ag₃Sn 형태의 석출물로 IMC layer 부근에 미세하게 석출되어 외부의 충격을 흡수하는 역할을 함으로서 주변의 접합강도를 높인 것으로 사료된다.
4는 조성 SAC305일때 시효시간에 따른 굽힘충격 시험후의 파단면을 SEM으로 관찰한 것이다. 전체적으로 볼 때 파단은 대부분 부품 쪽(a)에서 발생하였으며, 시효시간에 관계없이 금속간 화합물인 Cu₆Sn₅자체에서 모두 파단이 일어난 것을 확인할 수 있었으며 시효시간이 증가함에 따라 IMC layer가 성장하는 것을 알 수 있었다. As reflow 상태에서 금속간화합물은 Cu₆Sn₅가 생성되었고, 200hrs 이상에서 Cu₆Sn₅, Cu₃Sn의 금속간화합물이 생성되었으며 시효시간이 증가할수록 두 개의 금속간 화합물 층이 모두 증가하였다.
또한 시효시간 200 hrs 부터 1000 hrs 까지는 특성 수명 값의 차이가 뚜렷하게 나타나지 않았다. 즉 시효시간이 증가함에 따라 조성과 관계없이 모두 특성수명이 감소하였으며, 조성별로는 SAC305는 500 hrs 에서 굽힘충격 특성 수명이 급격하게 감소하는 것을 확인 할 수 있었고 SAC1205, SAC105는 200 hrs 에서부터 굽힘충격 특성 수명이 급격히 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서 Ag 함량이 가장 높은 SAC305의 경우 시효시간에 따른 굽힘 충격 특성 저하의 차가 다른 두 조성에 비하여 적은 것으로 나타났다.
2(b)의 200 hrs 시효에 비하여 조성에 따른 수명 차이가 뚜렷하게 나타나지는 않았으나 SAC305> SAC1205> SAC105의 순으로 특성수명이 우수하게 나타났다. 즉 조성에 따른 굽힘충격 시험 비교 결과 시효처리 전에는 Ag함량이 낮은 SAC105가 가장 수명이 우수하게 나타났으며, 그 이유에 대해서는 이미 여러 연구 논문에서 밝혀진바 있는 내용으로 솔더의 Ag의 함량이 높을수록 Ag₃Sn상과 같은 단단한 금속간화합물의 석출이 솔더 내부에 많이 발생하므로 이 금속간화합물의 석출경화 효과로 굽힘충격 저항성이 저하 하였다고 판단된다. 즉 솔더 내부에 Ag함량이 낮을수록 Ag₃Sn 입자의 석출경화 효과가 적어 충격이 가해졌을 때 충격을 완화시켜 주기 때문에 충격특성이 우수한 것으로 알려져 있다^4,5).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	충격시험편의 조건은 무엇인가?	1에 나타내었다. 충격시험편의 조건은 낙하충격 시험편 조건과 모두 동일하게 PCB기판위에 솔더 볼이 탑재된 BGA부품을 다시 탑재한 형태이다. 하지만 다른 것은, 굽힘충격 시험편의 경우에는 PCB의 최외각 6개의 부품이 탑재 되지 않은 시험편을 이용하였으며, 이는 충격 지그로 인한 시료의 직접적인 영향을 줄이기 위함이었다.
	낙하충격 시험법이란?	따라서 이러한 금속간화합물의 등온시효 시간에 따른 형성과 성장이 솔더 접합부 신뢰성에 어떠한 영향을 주는지에 대한 신뢰성 시험 중의 하나로 일반적으로 JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)에서 규정한 낙하충격 시험을 이용하고 있다. 낙하충격 시험법1)은 시험편을 규정된 일정높이에서 반복적으로 낙하시킴으로서 기계적 특성을 평가하는 방법이다. 그러나 이 방법은 고 비용과 장시간이 소모된다.
	낙하충격 시험법의 단점은?	낙하충격 시험법1)은 시험편을 규정된 일정높이에서 반복적으로 낙하시킴으로서 기계적 특성을 평가하는 방법이다. 그러나 이 방법은 고 비용과 장시간이 소모된다. 본 연구에서는 낙하충격 시험법을 대체하여 굽힘충격 시험법을 사용하였으며, 특히 선행 연구2)에서 충격특성이 가장 잘 나타나는 최적 굽힘충격 시험 조건 즉, 굽힘 시험기의 파형, 주파수, 진폭 등을 사용하여 솔더 조성과 등온시효 시간에 따른 솔더 접합부의 충격 특성을 비교 분석하였다.

참고문헌 (10)

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I. N. Jang, J. H. Park and Y. S. Ahn, "Standardization of Bending Fatigue Impact test Method of Sn-Ag-Cu Lead-Free Solder Ball", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(1), 55 (2010).
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T. C. Chang, M. C. Wang, M. H. Hon "Effect of Ag addition on the structures of intermetallic compounds and the adhesion strength of the Sn-9Zn-xAg/Cu interface", Journal of Crystal Growth, 252, 391 (2003).

상세보기
W. H. Zhu, L. X Pang, J. H. L. Zhang, X. R. Poh, E. Sun, Y. F. Sun, A. Y. S. Wang, C. K. Tan, H. B. "Drop reliability study of PBGA assemblies with SAC305, SAC105 and SAC105-Ni solder ball on Cu-OSP and ENIG surface finish", Electronic Components and Technology Conference, ECTC 2008. 58th. Volume, Issue, 27-30, pp.1667-1672 (2008).
I. N. Jang, J. H. Park and Y. S. Ahn, "Effect of Reflow Number and Surface Finish on the High Speed Shear Properties of Sn-Ag-Cu Lead-Free Solder Bump", J. Microelectron. Packag. Soc., 16(3), 11 (2009).
W. S. Hong, C. M. Oh, "Thermal Shock Reliability of Low Ag Composition Sn-3.0Ag-0.5Cu Pb-free Solder Joints", J. Kor. Inst. Met. & Mater., 47(12), 842 (2009).

상세보기
C. H. Yu, K. S. Kim, "Thermal Cycling Analysis of Flip-Chip BGA Solder Joints", J. Microelectron. Packag. Soc., 10(1), 45 (2003).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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