[논문]주석 휘스커 성장 메카니즘 및 억제방안

오철민; 정재성; 구기영; 윤영호; 황운희; 홍원식

doi:10.5781/kwjs.2011.29.4.365

주석 휘스커 성장 메카니즘 및 억제방안
The Growth Mechanism and Mitigation Method of Sn Whiskers 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.29 no.4, 2011년, pp.3 - 10

오철민 (전자부품연구원) , 정재성 (전자부품연구원) , 구기영 (국방기술품질원) , 윤영호 (국방기술품질원) , 황운희 (국방기술품질원) , 홍원식 (전자부품연구원)

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문제 정의

본 연구에서는 주석 휘스커의 정의 및 주요 고장사례를 소개하고 현재까지 알려진 휘스커 성장기구 및 평가 방법을 분석하였다. 또한, 국방 및 우주용 전자부품의 무연화 적용시 적절한 휘스커 성장 억제기술 개발현황 및 주요 억제기술에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 주석 휘스커의 정의 및 주요 고장사례를 소개하고 현재까지 알려진 휘스커 성장기구 및 평가 방법을 분석하였다. 또한, 국방 및 우주용 전자부품의 무연화 적용시 적절한 휘스커 성장 억제기술 개발현황 및 주요 억제기술에 대하여 고찰하였다.
세 기준은 공통적으로 상온유지시험, 고온고습시험, 온도사이클시험을 포함하고 있으며 총 시험시간도 비슷하다. 상온유지시험은 도금 및 확산에 의한 내부응력과 관련된 휘스커를 평가하기 위해 진행한다. 고온고습시험은 상온 환경을 가속하기 위해 제안되었으나 최근에는 휘스커의 다른 성장기구인 산화물층과 관련된 휘스커를 평가하기 위해 진행한다.
고온고습시험은 상온 환경을 가속하기 위해 제안되었으나 최근에는 휘스커의 다른 성장기구인 산화물층과 관련된 휘스커를 평가하기 위해 진행한다. 온도사이클시험은 주석도금층과 모재와의 열팽창 계수에 의한 응력과 관련된 휘스커를 평가하기 위해 진행한다.
휘스커 평가에 대한 목적은 필드 환경에서 일어날 수있는 휘스커 성장을 가속시켜 전자 제품에서 발생되는 휘스커 위험관리를 하는데 있다. 그러나 상온유지시험은 필드 환경과 유사하나 시간 가속성이 없으며, 고온 고습시험은 산화와 관련된 휘스커 성장에는 관련이 있으나 산화층 두께와 휘스커 성장과의 상관관계 및 휘스커 성장에 대한 고온고습시험 시간과 필드 시간과의 상관관계도 규명되지 않았다.

제안 방법

. 공기 축전기(air capacitor)내부 전극 (plate)에서 카드뮴(Cd) 휘스커가 발생되어 고장을 유발되었으며 그 이후에는 아연(Zn), 주석에서도 휘스커가 관찰되어 이를 방지하기 위해 납을 첨가하였다¹⁰⁾.

대상 데이터

시험 항목별로 리드가 있는 부품은 96개 리드, 리드가 없는 부품은 18개 도금영역에 대해 휘스커를 분석한다. 또한, 전처리(precondition) 조건에 따라 시료수는 늘어나서 휘스커를 평가하는 시료는 리드가 있는 부품인 경우에는 288 리드를 분석한다. 이 경우, 한 종류의 시험항목에 대해 2,016 영역을 분석하게 되어 있어 휘스커 평가방법에 대한 현실적인 시료수 및 리드별 분석영역을 개발할 필요가 있다.
7과 같이 휘스커 관찰영역을 제안하였다. 리드가 있는 부품은 리드별 7개 영역을, 리드가 없는 부품은 부품별 8개 영역을 분석한다. 시험 항목별로 리드가 있는 부품은 96개 리드, 리드가 없는 부품은 18개 도금영역에 대해 휘스커를 분석한다.
리드가 있는 부품은 리드별 7개 영역을, 리드가 없는 부품은 부품별 8개 영역을 분석한다. 시험 항목별로 리드가 있는 부품은 96개 리드, 리드가 없는 부품은 18개 도금영역에 대해 휘스커를 분석한다. 또한, 전처리(precondition) 조건에 따라 시료수는 늘어나서 휘스커를 평가하는 시료는 리드가 있는 부품인 경우에는 288 리드를 분석한다.

이론/모형

Table 1과 같이 휘스커를 평가하는 시험방법은 IPC (Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits)²²⁾, JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)^23,24), JEITA(Japan Electronics and Information Technology Industries Association)^25,26) 에 따라 정리하였다. 특히 JEDEC²⁴⁾ 에서는 자동차, 네트워크 장비는 Class 2, 산업용 장비는 Class 1으로 분류하여 일반 소비재인 Class 1A보다 더 많은 시험시간을 요구하고 있다.

성능/효과

8과 같이 휘스커가 나타난 리드에 대해 휘스커 길이 분포를 분석한 결과, JEDEC^23,24)에서 제시한 96 lead 수는 적절한 수준으로 제안하였으며 실제적인 최대 휘스커 길이를 분석하기 위해서는 많은 리드의 관찰이 필요한 것으로 보고하였다. 따라서 휘스커 평가방법 개발시, 분석하고자 하는 리드 수의 감소보다는 리드내 분석영역을 최소화하는 것이 적절한 것으로 판단된다.
10과 같이, 고온고습 환경에서는 열처리한 부품에서 휘스커가 더 길게 성장한 것으로 보고²⁰⁾되고 있으며 일부 연구에서는 주석 산화층 형성에 의한 휘스커 성장은 니켈층의 하지 도금처리 및 FeNi42 합금처리와 관계없이 일어난다고 보고하고 있다¹³⁾. 또한, iNEMI에서 제시하는 휘스커 성장 억제기술은 부품 실장후 무연 솔더에서 성장하는 휘스커 성장은 억제하지 못하는 것으로 사료된다.

후속연구

따라서, 높은 신뢰성이 요구되는 국방 및 우주분야에서 주석 휘스커를 억제하기 위해서는 컨포멀 코팅 (conformal coating)이 가장 효과적인 것으로 사료되며, 국내에서도 컨포멀 코팅(conformal coating)에 대한 휘스커 억제 기술 개발 연구가 서둘러 진행되어야 할 것으로 사료된다.
이러한 휘스커 성장기구 차이에 따라 휘스커 평가 방법이 달라졌으며 아직까지 필드 시간과의 가속 상관관계는 규명되지 않고 있다. 또한, 휘스커 관찰방법 및 시료 수 등에 보다 합리적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
현재까지 휘스커 성장기구는 많은 연구자들에 의해 밝혀졌지만, 현재까지도 연구가 진행되고 있는 실정이다^8,10,11,15). 이러한 연구결과는 궁극적으로 휘스커 발생 및 성장길이를 예측할 수 있으며, 휘스커를 억제할 수 있는 기술을 도출할 것으로 사료된다.
따라서, 국내에서도 국방 및 우주 분야의 무연화를 추진하기 위해서는 휘스커 억제 기술개발이 진행되어야 할 것이다. 특히, 컨포멀 코팅(conformal coating) 재료에 따른 휘스커 성장 억제 기술개발을 서둘러야 할 것으로 사료 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 전장품의 무연화는 어떤지침의 개정을 통해 추진되고 있는가?	2006년 7월부터 발효된 “특정유해물질 사용제한 지침(restriction of the use of certain hazardous substance in electronic equipment, RoHS)”1)에 따라 일반 전자제품내 납(Pb) 사용이 제한되어 현재 전자제품들은 무연(Pb-free)화가 되어 있다2). 최근에는 “폐차 활용지침(End-of life vehicles, ELV)”3)의 개정으로 2016년부터 자동차 전장품(car electronics)의 납 사용이 제한되어 자동차 전장품의 무연화도 활발히 진행되고 있다4).
	전자제품을 무연화하기 위해 기술적인 부분에서 고려해야할 사항은?	전자제품을 무연화하기 위해서는 많은 사항들이 고려되어야 한다. 기술적인 부분에서는 부품 설계, 기판(PCB) 설계, 솔더링 공정, 솔더 접합부 신뢰성, 주석 휘스커 등으로 구분할 수 있다. 특히, 솔더 접합부 장기 신뢰성5,6) 및 주석(Sn) 휘스커 억제가 전자제품 무연화에 따른 제품의 장기 신뢰성에 가장 중요한 문제로 부각되고 있다.
	현재 전자제품들은 무연(Pb-free)화가 이루어진 이유는?	최근 유럽연합의 환경규제는 전자산업에 많은 변화를 가져오고 있다. 2006년 7월부터 발효된 “특정유해물질 사용제한 지침(restriction of the use of certain hazardous substance in electronic equipment, RoHS)”1)에 따라 일반 전자제품내 납(Pb) 사용이 제한되어 현재 전자제품들은 무연(Pb-free)화가 되어 있다2). 최근에는 “폐차 활용지침(End-of life vehicles, ELV)”3)의 개정으로 2016년부터 자동차 전장품(car electronics)의 납 사용이 제한되어 자동차 전장품의 무연화도 활발히 진행되고 있다4).

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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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