고속전단시힘의 표준화를 위한 기초 연구의 일부로 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더 볼의 고속전단특성에 대한 연구를 수행 하였다. 고속전단 시험편 제작을 위해 직경 450 ${\mu}m$의 솔더 볼을 FR4 PCB (Printed Circuit Board) 위에 장착한 후 $245^{\circ}C$ 온도에서 리플로 솔더링을 행하였다. PCB 상의 금속 패드로는 ENIG (Electroless Nickel/mmersion Gold, i.e Cu/Ni/Au)와 OSP (Organic Solderability Preservative, Cu 패드)를 사용하였다. 고속전단 속도는 0.5~3.0 m/s 범위, 전단 팁의 높이는 10~135 ${\mu}m$ 범위에서 변화시켰다. 실험결과로서, OSP 패드의 경우 전단 팁 높이 증가에 따라 연성 파괴가 증가하였으며, 전단속도 증가에 따라 연성파괴는 감소되었다. ENIG 패드의 경우에도 전단 팁 높이 증가에 따라 연성 파괴가 증가하였다. 전단 팁 높이 10 ${\mu}m$(볼 직경의 2%)는 패드 박리 파괴가 대부분이어서 전단파면 관찰에는 부적절한 높이였다. 고속전단에너지는 OSP 및 ENIG 패드 모두 전단 팁 높이 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다.
고속전단시힘의 표준화를 위한 기초 연구의 일부로 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더 볼의 고속전단특성에 대한 연구를 수행 하였다. 고속전단 시험편 제작을 위해 직경 450 ${\mu}m$의 솔더 볼을 FR4 PCB (Printed Circuit Board) 위에 장착한 후 $245^{\circ}C$ 온도에서 리플로 솔더링을 행하였다. PCB 상의 금속 패드로는 ENIG (Electroless Nickel/mmersion Gold, i.e Cu/Ni/Au)와 OSP (Organic Solderability Preservative, Cu 패드)를 사용하였다. 고속전단 속도는 0.5~3.0 m/s 범위, 전단 팁의 높이는 10~135 ${\mu}m$ 범위에서 변화시켰다. 실험결과로서, OSP 패드의 경우 전단 팁 높이 증가에 따라 연성 파괴가 증가하였으며, 전단속도 증가에 따라 연성파괴는 감소되었다. ENIG 패드의 경우에도 전단 팁 높이 증가에 따라 연성 파괴가 증가하였다. 전단 팁 높이 10 ${\mu}m$(볼 직경의 2%)는 패드 박리 파괴가 대부분이어서 전단파면 관찰에는 부적절한 높이였다. 고속전단에너지는 OSP 및 ENIG 패드 모두 전단 팁 높이 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다.
Shearing characteristics of Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu ball for standardization of high speed shear test were investigated. The solder ball of 450 ${\mu}m$ in diameter was reflowed at $245^{\circ}C$ on FR4 PCB (Printed Circuit Board) to prepare a sample for the high-speed shear test....
Shearing characteristics of Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu ball for standardization of high speed shear test were investigated. The solder ball of 450 ${\mu}m$ in diameter was reflowed at $245^{\circ}C$ on FR4 PCB (Printed Circuit Board) to prepare a sample for the high-speed shear test. The metal pads on the PCB were OSP (Organic Solderability Preservative, Cu pad) and ENIG (Electroless Nickel/Immersion Gold, i.e CulNi/Au). Shearing speed was varied from 0.5 to 3.0 m/s, and tip height from 10 to 135 ${\mu}m$. As experimental results, for the OSP pad, a ductile fracture increased with tip height, and it decreased with shearing speed. In the case of ENIG pad, the ductile fracture increased with the tip height. The tip height of 10 ${\mu}m$ (2% of solder ball diameter) was unsuitable since the fracture mode was mostly pad lift. Shear energy increased with increasing shearing tip height from 10 to 135 ${\mu}m$ for both of OSP and ENIG pads.
Shearing characteristics of Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu ball for standardization of high speed shear test were investigated. The solder ball of 450 ${\mu}m$ in diameter was reflowed at $245^{\circ}C$ on FR4 PCB (Printed Circuit Board) to prepare a sample for the high-speed shear test. The metal pads on the PCB were OSP (Organic Solderability Preservative, Cu pad) and ENIG (Electroless Nickel/Immersion Gold, i.e CulNi/Au). Shearing speed was varied from 0.5 to 3.0 m/s, and tip height from 10 to 135 ${\mu}m$. As experimental results, for the OSP pad, a ductile fracture increased with tip height, and it decreased with shearing speed. In the case of ENIG pad, the ductile fracture increased with the tip height. The tip height of 10 ${\mu}m$ (2% of solder ball diameter) was unsuitable since the fracture mode was mostly pad lift. Shear energy increased with increasing shearing tip height from 10 to 135 ${\mu}m$ for both of OSP and ENIG pads.
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문제 정의
이러한 산업계의 추세와 연구 상황에 따라 본 연구는 고속전단에 관한 규격의 미비한 점을 보완하고 고속전단에 관한 보다 다양한 연구를 수행 하기 위 한 기초 연구의 일부로 수행되 었으며, 고속전단 파면 모드 및 전단 에 너 지에 미치는 전단 팁 높이의 영향에 대해 살펴보았다.
제안 방법
3. Fracture surface modes of solder ball after high speed shear test and their EDS mapping analysis.
Sn-3.0%Ag-0.5%Cu 솔더 볼(직경 450呻)을 EN1G 및 OSP 패드 위에 리플로 솔더링한 후, 전단 팁 높이 (10-135 |im) 및 전단속도(0.5〜3.0 n/s)를 변화시 키며 고속전단 시험한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
고속 전단시험 에서 전단 에너지가 전단 강도보다 솔더범프 파면의 변화에 더 민감하기 때문에, 전단 파면 분석에는 전단 에너지가 전단 강도보다 더 유리하다고 알려져 있으며6, 7), 본 절에서 도 전단 팁 높이 에 따른 전단 에너 지변화에 대 해 검 토하였다. 전단 에너 지 는 다음과 같이 측정하였다.
7 프로그램을 이용하여 측정 하였디-. 고속 전단시험 후 솔더 볼의 파괴 모드 및 성분분석을 위하여 FE-SEM (Scanning Electro Microscope)와 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 를 사용하였다.
0m/s로 하였다. 고속 전단시험은 각 조건별로 20회 실시하였다. 고속 전단시험을 통하여 솔더 볼의 전단 강도 및 전단 에너지를 측정하였다.
고속 전단시험은 각 조건별로 20회 실시하였다. 고속 전단시험을 통하여 솔더 볼의 전단 강도 및 전단 에너지를 측정하였다. 전단 에너지의 측정은 이미지 분석 프로그램 인 AxioVision Rd.
고속 전단파단면을 분류하기 위하여 EDS를 이용하여면분석을 실시하였다(Fig. 3 참조). Fig.
표면과 접촉이 발생 할 수 있다. 본 실험 에서 전단 팁의 높이는 기판 표면으로부터 10呻(볼 직경의 2%), 50 呻僵 직경의 11%), 135 呻(볼 직경의 30%)으로 하였으며 , 전단시 험을 위한 솔더 볼의 전단속도는 0.5, 1.0, 2.0, 3.0m/s로 하였다. 고속 전단시험은 각 조건별로 20회 실시하였다.
대상 데이터
5wt%Cu 이며, 솔더 볼의 직경은 450呻로 하였다. PCB (Print Circuit Board) 기 판으로는 FR-4를 사용하였으며 , 기 판의 크기는 15x15x1 mm(t)로 하였다. 기판의 패드는 OSP (Organic Solderability Preservative, Cu), ENIG (Electroless Nickel/Immersion Gold) 두 종류로 하였으며 , 패 드의 개구부는 솔더 볼의 70% 가량의 크기 인 직 경 320 Rm로 형성 하였다.
05 呻로 구성 되 었고, OSP 패드는 Ch 두께 24 卩이로 하였다. 기판상의 Cu 패드는 8x8의 배열로 형성하였으며, 솔더 볼의 배열은 JEDEC 규격 (JESD22-B177A)에서 규정하고 있는 +자형 및 r 자 배열 중, +자형은 전단 중 일부 볼이 전단 팁에 닿는 경우가 있기 때문에 본 연구에서는 -1 자 배열로 하였다 (Fig. 2 참조).
PCB (Print Circuit Board) 기 판으로는 FR-4를 사용하였으며 , 기 판의 크기는 15x15x1 mm(t)로 하였다. 기판의 패드는 OSP (Organic Solderability Preservative, Cu), ENIG (Electroless Nickel/Immersion Gold) 두 종류로 하였으며 , 패 드의 개구부는 솔더 볼의 70% 가량의 크기 인 직 경 320 Rm로 형성 하였다. ENIG층은 Cu/Ni/Au로 구성 되 었으며 , 각 층의 두께는 각각 24 pm, 5.
시편 제작에 사용된 솔더 볼의 조성은 무연 솔더로 일반적으로 많이 사용되고 있는 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu 이며, 솔더 볼의 직경은 450呻로 하였다. PCB (Print Circuit Board) 기 판으로는 FR-4를 사용하였으며 , 기 판의 크기는 15x15x1 mm(t)로 하였다.
데이터처리
고속 전단시험을 통하여 솔더 볼의 전단 강도 및 전단 에너지를 측정하였다. 전단 에너지의 측정은 이미지 분석 프로그램 인 AxioVision Rd. 4.7 프로그램을 이용하여 측정 하였디-. 고속 전단시험 후 솔더 볼의 파괴 모드 및 성분분석을 위하여 FE-SEM (Scanning Electro Microscope)와 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 를 사용하였다.
성능/효과
1. 전단 팁 높이 및 전단속도에 따른 전단파면은 연성 파괴, 준연성파괴, 취성파괴, 준취성파괴, 패드 박리 5가지로 나누어졌다. 이 중 전단 팁 높이 10 卩m(솔더 볼 직경의 2%)인 경우, 대부분 패드 박리가 발생하여 파괴 특성 파악에는 부적절한 높이 였다.
2. OSP 패드의 경우, 전단 팁 의 높이가 증가할수록 패드 박리는 감소하고, 연성 파괴 혹은 준연성파괴의 증가 경 향이 나타났다. 또, 전단속도가 커질수록 패드 박리는 증가하고, 연성파괴는 감소하는 것으로 나타났다.
3. ENIG 및 OSP 패드 시편 모두 전단 팁의 높이를 10 呻에서 135 呻로 증가시킴 에 따라 전단속도에 무관하게 전단에너지는 증가하였으며, 이는 전단 팁 높이를 높일수록 연성파괴 비율이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
5 솔더 접합부에 미치는 충격력에 대한 신뢰성 시험으로는 일반적으로 낙하시 험 (drop test)이 많이 사용되 지 만, 낙하시 험 은 보드 레벨의 시험으로 비용이 많이 들고, 결과 해석에 상대적으로 장시간이 소요되는 단점이 있다.5)이러한 단점 때문에 낙하시험을 대체할 방법으로, 비교적 간단한 패키지레 벨 시 험 법 인 전단시 험 이 있는데, 이 중 고속전단시 험은전단속도가 낙하시험을 대체할 만큼 충분히 빠르고, 비용이 적게 들며 결과 해석이 빠르고 시편 제작이 쉽다는 장점이 있다.6)
5에 OSP 패드의 파단모드를 나타내 었다. ENIG 패드의 경우 전단 팁의 높이가 증가할수록 패드 박리는 감소하고, 약간의 데이터 분산은 있으나 연성파괴 혹은 준 연성 파괴의 증가가 나타났다. 예를 들어 전단속도 3.
OSP 패드의 경우, 전단 팁 의 높이가 증가할수록 패드 박리는 감소하고, 연성 파괴 혹은 준연성파괴의 증가 경 향이 나타났다. 또, 전단속도가 커질수록 패드 박리는 증가하고, 연성파괴는 감소하는 것으로 나타났다. ENIG 의 경우 전단 팁의 높이가 증가할수록 패드 박리는 감소하고, 준연성파괴의 증가가 나타났다.
3(b)의 경우 Sn/Cu 접합계면에서 파괴된 취성파면으로, 파단면에서 Sn과 Ch가 골고루 검출되었다. 이 결과를 바탕으로 Cu가 Sn보다 검출되는 영역이 넓 으면 준취성(quasi-brittle) 파괴, Sii이 Cu보다 많은 영역에서 검출되면 준연성(quasi-ductile) 파괴로 판단하였다. 또, 패드에서 파괴가 일어나는 경우(Fig.
전단 팁의 높이가 일정할 때 전단속도가 커져도 패드 박리 의 증가 경 향은 특별히 관찰되지 않았으며 , 연성 파괴도 감소하는 경 향을 나타내지 않았다. 예를 들어 전단 팁의 높이 50 呻일 때 전단속도를 0.
4는 OSP 패드의 파단모드 분포를 보인 것이다. 전단 팁의 높이가 증가할수록 패드 박리는 감소하고, 약간의 데이터 분산은 있으나 연성파괴 혹은 준연성파괴의 증가가 나타났다. 예를 들어, 전단속도 2.
한편, 전단속도가 커질수록 패드 박리는 증가하고, 연성 파괴는 감소하는 것으로 나타났다. 예를 들어 전단 팁의 높이 50 pm일 때 전단속도를 0.
후속연구
OSP 패드의 결과와 다른 ENIG 패드의 이러한 결과의 원인은 아직 분명히 밝히지 못 하였다. 금후 파면 및 상호 다른 금속간화합물의 특성 (OSP의 경 우 Cu6Sn5 등, ENIG의 경 우 Ni3Sn4 나 (Cu, Ni)3Sn4 등)이나 Cu 패드의 접 합 강도 등에 대 한보다 상세한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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