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문제 정의
- 본 연구에서는 열충격 시험을 통해 Sn-3Ag-0.5Cu의 무연솔더가 사용된 일부 자동차 전장 부품의 몇 가지 부품을 선정하여 무연솔더 접합부의 기계적·열적 특성 및 금속학적 고찰을 통해 무연솔더 접합부의 파괴모드 특성을 확인할 수 있었다.
제안 방법
- (a)는 Pull test로서 QFP를 45°로 고정하여 리드(Lead)를 훅(Hook)에 건 뒤 당겨서 접합부인장 강도를 측정한다.
- 5) 열충격 시험 조건은 N社와 R社 의 사내규격을 적용하여 Fig. 2와 같이 저온구간 -35℃와 고온구간 80℃에서 각각 25분씩을 유지시켰으며, 램핑(Ramping) 시간은 10분으로 하여 총 60분을 1싸이클로 하였다. 열충격 시험의 싸이클 횟수 또한 사내규격을 적용하여 총 432싸이클의 열충격 시험을 수행하였다.
- QFP와 R chip의 기계적 강도를 알아보기 위해 열충격 시험 전･후의 시편을 RHESCA 社의 PTR-1000 의 시험 장비를 사용하여 QFP는 JIS Z 3198-6, R chip은 JIS Z 3198-7에 준하여 167㎛/s 속도6,7)로 Fig. 3과 같은 방법으로 시편의 기계적 강도값을 측정하였다. Fig.
- 기계적 강도 시험을 통해 무연솔더 접합부의 파괴모드 및 금속학적 고찰을 하기 위해 파단부위를 SEM(Scanning Electron Microscope), EDS(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy) 및 광학현미경(Optical Microscope)을 통해 분석하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 열충격 시험을 통해 Sn-3Ag-0.5Cu의 무연솔더가 사용된 일부 자동차 전장 부품의 몇 가지 부품을 선정하여 무연솔더 접합부의 기계적･열적 특성 및 금속학적 고찰을 통해 무연솔더 접합부의 파괴모드 특성을 분석하였다.
- 2와 같이 저온구간 -35℃와 고온구간 80℃에서 각각 25분씩을 유지시켰으며, 램핑(Ramping) 시간은 10분으로 하여 총 60분을 1싸이클로 하였다. 열충격 시험의 싸이클 횟수 또한 사내규격을 적용하여 총 432싸이클의 열충격 시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용된 자동차 전장 부품은 Sn-3Ag-0.5Cu 솔더를 이용해 240℃ 피크(Peak)온도로 하여 평균 220℃에서 약 60초 동안 리플로우(Reflow) 공정을 통해 접합된 실제 차량에 실장 되는 QFP(Quad Flat Package)와 R chip을 이용하여 실험하였다. Fig.
이론/모형
- 장기적인 신뢰성에 가장 큰 영향을 미치는 열에 대한 특성을 확인하기 위하여 대표적인 가속 환경 시험방법중의 하나인 열충격 시험(Thermal shock test) 을 ESPEC社 TSE-11-A를 이용하여 수행하였다.5) 열충격 시험 조건은 N社와 R社 의 사내규격을 적용하여 Fig.
성능/효과
- 1) 열충격 시험 후 QFP와 R chip 모두 열충격 시험 전보다 기계적 강도값이 낮아지는 것을 확인할수 있었다.
- 2) 열충격 시험 전 파괴는 전형적인 솔더층 파괴모드를 가지고 있었으며, 열충격 시험 후에는 연성파괴와 취성파괴의 복합적인 파괴모드를 확인할 수 있었다.
- 3) 같은 성분의 솔더가 검출 된 파단부여도 파단부의 높이와 전단강도의 힘을 받는 각도에 따라 파괴모드가 다르다는 것을 확인할 수 있었다.
- 4) 솔더층 파괴모드에 따라 기계적 강도에 영향을 미칠 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 432싸이클의 열 충격 시험 후에도 미세균열 및 열에 의한 피로 파괴는 관찰되지 않았으며, 접합부의 외부 형상 또한 변화가 없다는 것을 Fig. 4를 통해 확인 할 수 있었다.
- 11과 같이 파단부의 높이나 전단 강도를 받는 각도에 따라 PCB기판과 Cu패드부의 박리층, IMC층, 솔더층, 취성 및 연성파괴의 복합적인 파괴모드를 하고 있었다 이는 열 충격시험 후 솔더층 변형 및 이종재료의 변형에 의해 파괴모드에 따른 기계적 강도에 영향을 줄 수 있다고 분석된다. 또한, Fig. 10 ⓑ와ⓕ의 성분은 Sn이 검출되었지만, 파단부의 높이에 따라 각각 파괴 형상이 다르다는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한, Fig. 10 ⓔ는 Sn과 Ag가 복합적으로 검출되었고, 파괴 모드는 매우 거칠고, 불균일하게 나타났으며, 이는 Ag3Sn인 IMC층으로 사료된다.
- 10 ⓐ에서는 PCB 모재 성분이 검출되었으며, ⓑ에서는 각각 Sn과 Ag, ⓒ에서는 Cu, Sn의 복합적인 솔더와 Sn이 검출되었다. 또한, ⓓ는 ⓐ와 같은 PCB모재 성분이 검출되었으며, ⓔ는 Ag와 Sn의 다양한 성분이 검출되었고, ⓕ는 Sn만이 검출되었다.
- 8에 나타내었다. 분석한 결과 Fig. 8 ⓒ,ⓖ를 제외한 ⓐ, ⓑ, ⓓ, ⓔ, ⓕ에서 Sn원소가 검출되었으며, 전체 파단면의 면적 중 ⓒ,ⓖ부분에서는 Sn 및 Cu 원소가 혼합된 Cu3Sn 금속간 화합물이 검출되었다. 즉, Sn, Cu 원소의 검출양이 파단면의 면적중에서 많은 영역을 차지하는 ⓐ, ⓑ, ⓓ, ⓔ, ⓕ에서 검출된 원소의 양보다 현저히 떨어지며, 솔더층과 Cu패드 계면부근에서 솔더층인 Sn과 Cu 패드층의 Cu의 확산반응에 의해 IMC가 계면부분에 형성된 것으로 판단된다.
- 7은 EDS를 통한 솔더 파단면의 정성적인 분포를 나타낸다. 솔더의 분포는 왼쪽과 오른쪽 시편 모두 Sn만이 확인되었으며, 이는 전형적인 솔더층 파괴로 안정적인 파괴 모드로 분석된다. 보다 정확한 파단위치를 확인하기 위하여 SEM으로 관찰한 결과를 Fig.
- 열충격 시험 전의 Fig. 7에서 검출된 Sn 성분과는 다른 Ag성분이 추가로 검출되고, 아무런 솔더성분도 검출 되지 않았으므로, 열충격 시험 후의 파괴모드가 복합적으로 변하였다는 것을 쉽게 확인할 수 있다. 파괴부의 조금 더 정확한 원인과 그 위치를 확인하기 위해 SEM으로 분석한 파괴 모드를 Fig.
- 열충격 시험 후 QFP는 열충격 시험 전 평균 12.3N에서 10.4N으로 R chip은 34.8N에서 29.7N으로 기계적 강도값이 낮아지는 것으로 나타났다.
- 8 ⓒ,ⓖ를 제외한 ⓐ, ⓑ, ⓓ, ⓔ, ⓕ에서 Sn원소가 검출되었으며, 전체 파단면의 면적 중 ⓒ,ⓖ부분에서는 Sn 및 Cu 원소가 혼합된 Cu3Sn 금속간 화합물이 검출되었다. 즉, Sn, Cu 원소의 검출양이 파단면의 면적중에서 많은 영역을 차지하는 ⓐ, ⓑ, ⓓ, ⓔ, ⓕ에서 검출된 원소의 양보다 현저히 떨어지며, 솔더층과 Cu패드 계면부근에서 솔더층인 Sn과 Cu 패드층의 Cu의 확산반응에 의해 IMC가 계면부분에 형성된 것으로 판단된다. 즉, ⓒ,ⓖ에서 Cu, Sn 원소가 검출된 것은 파단부위가 Cu 패드에 가까운 솔더층에서 파단되었으며, ⓐ, ⓑ, ⓓ, ⓔ, ⓕ의 파단부위는 솔더층 내부에서 파단된 것으로 사료된다.
후속연구
- 5) 향후 자동차 전장부품 장기적인 신뢰성 평가 시 솔더 접합부의 파단 형상에 대해 접합부의 면적 및 파단부의 위치 및 솔더량의 정량적인 분석을 통해 솔더링 공정과 조성이 접합 파괴모드에 미치는 상관관계를 규명할 수 있는 기반을 마련하여야 할 것이다.
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