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문제 정의
- 본 연구에서는 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu의 고온 무연 솔더를 대상으로 자동차 전장품에 적용을 위하여 자동차 사용 환경에 맞는 신뢰성을 확인할 수 있도록 고온에서의 복합 진동 시험에 대하여 신뢰성 평가를 하였다. 시험 후 전기 저항 및 접합 강도의 측정, 내부미세구조의 변화, 파괴모드의 비교를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- BGA 칩은 ENIG 표면처리가 되어있어 Ni(P)층과 솔더 간의 반응을 고찰하였다. 접합 초기 및 150℃/120시간 복합 진동 시험 후의 단면을 Fig.
- 우선 챔버안에 설치된 진동 발생기에는 제작된 평가 보드를 탑재할 수 있도록 평판 지그를 체결하였고 이 평판 지그의 평면에서 6 mm 떨어진 거리에 Z축 방향으로 평가 보드를 탑재한 후 네 모서리에 볼트를 체결하여 고정시켰다. 그 후, 85℃와 150℃ 두 고온의 온도 조건에서 진동 시험을 진행하였다. 복합 진동 시험의 진동 조건은 주파수가 10~1,000 Hz, 진동가속도는 27.
- 복합 진동 시험 동안 전기 저항의 변화를 관찰하였으며 전단 강도 시험을 통하여 시험 전 후의 접합 강도를 비교하였다. 또한 기계적, 전기적 특성변화와 함께 내부미세구조의 변화, 파괴모드의 규명을 통하여 고온, 진동의 가혹환경에서 보다 안정한 솔더를 비교하였다.
- 또한, 시험 중 전단 강도 시험을 통하여 시험 전 후의 접합 강도를 측정하였다. 전단 강도 시험은 DAGE-4000(Nordson) 장비를 이용하여 전단속도는 200 µm/s, 전단강도기의 팁은 PCB의 솔더 마스크에서 50 µm 높이에 위치시켜 전단 시험을 진행하였다.
- 전단 강도 시험은 DAGE-4000(Nordson) 장비를 이용하여 전단속도는 200 µm/s, 전단강도기의 팁은 PCB의 솔더 마스크에서 50 µm 높이에 위치시켜 전단 시험을 진행하였다. 또한, 주사전자현미경(SEM)을 통해 시편의 단면 분석 및 전단 강도 시험 후의 파면 분석을 실시하여 파괴모드를 규명하였다.
- 7Cu 솔더에 대하여 자동차의 사용 환경과 유사한 복합 진동시험을 수행하였다. 복합 진동 시험 동안 전기 저항의 변화를 관찰하였으며 전단 강도 시험을 통하여 시험 전 후의 접합 강도를 비교하였다. 또한 기계적, 전기적 특성변화와 함께 내부미세구조의 변화, 파괴모드의 규명을 통하여 고온, 진동의 가혹환경에서 보다 안정한 솔더를 비교하였다.
- 복합 진동 시험은 온도를 제어할 수 있는 챔버(PVL3KPH, Espec)안에 진동 시스템(G-120N & G23-130, Shinken)을 설치하여 온도와 진동 조건을 동시에 가할 수 있도록 장비를 구성한 후 진행하였다.
- 위와 같은 고온과 진동이 결합된 복합 진동 시험을 z축에 대하여 120시간 동안 실시하였다. 복합 환경 진동 시험의 진행 되는 동안 60시간과 120시간 후 평가 보드를 저항측정기 (MultiMeter 3700, Keithley)를 이용, 전기 저항을 측정하였다. 복합 진동 시험의 개략도를 Fig.
- 본 연구에서는 상업적으로 많이 사용되며, 융점이 비교적 높은 Sn-3.5Ag와 Sn-0.7Cu 솔더에 대하여 자동차의 사용 환경과 유사한 복합 진동시험을 수행하였다. 복합 진동 시험 동안 전기 저항의 변화를 관찰하였으며 전단 강도 시험을 통하여 시험 전 후의 접합 강도를 비교하였다.
- 7Cu의 고온 무연 솔더를 대상으로 자동차 전장품에 적용을 위하여 자동차 사용 환경에 맞는 신뢰성을 확인할 수 있도록 고온에서의 복합 진동 시험에 대하여 신뢰성 평가를 하였다. 시험 후 전기 저항 및 접합 강도의 측정, 내부미세구조의 변화, 파괴모드의 비교를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- %로 표기하였다. 시험에 사용될 샘플 제작을 위하여 BGA chip의 Cu 패드는 ENIG 표면처리를 하였고, PCB 보드의 Cu 패드는 OSP 표면처리를 하였다. 먼저, Table 1에 도시된 조건에 따라 리플로우 공정을 통하여 각 무연 솔더볼을 BGA칩 위에 접합하였다.
- 복합 진동 시험은 온도를 제어할 수 있는 챔버(PVL3KPH, Espec)안에 진동 시스템(G-120N & G23-130, Shinken)을 설치하여 온도와 진동 조건을 동시에 가할 수 있도록 장비를 구성한 후 진행하였다. 우선 챔버안에 설치된 진동 발생기에는 제작된 평가 보드를 탑재할 수 있도록 평판 지그를 체결하였고 이 평판 지그의 평면에서 6 mm 떨어진 거리에 Z축 방향으로 평가 보드를 탑재한 후 네 모서리에 볼트를 체결하여 고정시켰다. 그 후, 85℃와 150℃ 두 고온의 온도 조건에서 진동 시험을 진행하였다.
- 8 m/s2 였다. 위와 같은 고온과 진동이 결합된 복합 진동 시험을 z축에 대하여 120시간 동안 실시하였다. 복합 환경 진동 시험의 진행 되는 동안 60시간과 120시간 후 평가 보드를 저항측정기 (MultiMeter 3700, Keithley)를 이용, 전기 저항을 측정하였다.
- 그 후, PCB위에 솔더볼과 같은 조성을 가지는 솔더페이스트를 도포한 후, BGA칩을 마운트 하고 Table 1과 동일한 리플로우 조건으로 칩과 기판을 접합하였다. 이 때, BGA 칩과 PCB 보드는 데이지 체인을 구성하여 접합이 완료된 후 전기저항을 측정할 수 있도록 하였다. 접합이 완료된 후의 개략도를 Fig.
- 전단 강도 시험은 DAGE-4000(Nordson) 장비를 이용하여 전단속도는 200 µm/s, 전단강도기의 팁은 PCB의 솔더 마스크에서 50 µm 높이에 위치시켜 전단 시험을 진행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 솔더볼의 조성은 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu의 두 종류이며 솔더볼의 직경은 450 µm이었다.
성능/효과
- 1. IMC의 두께는 온도 조건에 상관 없이 Sn-0.7Cu가 적었으며, 이는 솔더 내의 Cu확산에 대한 구동력 감소 때문이라고 생각된다.
- 5Ag 솔더의 강도 저하가 두드러지게 나타난 것을 확인 할 수 있었다. 150℃에서 120시간 진동시험 후 Sn-3.5Ag의 강도 저하는 초기 강도 대비 23%가 감소한 것으로 나타났고 Sn-0.7Cu의 경우에는 초기 강도 대비 10%만 감소한 것으로 나타났다. Sn-0.
- 4. 150℃에서 진행된 복합 진동 시험 결과 Sn-3.5Ag의 전기 저항 증가, 접합 강도의 저하, 파괴 모드의 전이는 Cu6Sn5 IMC 내부에 발생한 크랙에 기인한 것으로 사료 된다.
- 5. 본 연구 결과 Sn-0.7Cu가 Sn-3.5Ag에 비하여 진동에 의한 크랙 발생, 전기 저항, 접합 강도를 고려 할 때 상대적으로 안정된 경향을 나타냄을 확인하였다.
- 8에 나타내었다. 85℃에서 복합 진동 시험 후 전단 강도 시험의 파괴 모드는 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu 모두 연성 파괴가 우세하게 나타났으며 복합 진동 시험 전후의 큰 차이를 나타내지 않았다. 그러나, 150℃에서 복합 진동 시험 후 전단 강도 시험 결과 Sn-3.
- 5Ag의 경우 150℃에서 복합 진동 시험을 거치는 동안 진동에 의하여 유발된 크랙이 Cu6Sn5 IMC를 따라 발생하였으며 이후 전단 강도 시험에서 이미 발생되어 있는 크랙을 따라 파괴가 진행되었다고 할 수 있다. 따라서, Sn-0.7Cu에 비하여 상대적으로 두꺼운 IMC로 인하여 150℃의 환경에서 IMC의 성장이 가속화 되고 이와 동시에 가해지는 진동에 의하여 유발된 Sn-3.5Ag 내부의 크랙으로 전기 저항의 증가와 전단 강도 저하 및 파괴 모드의 전이를 유발하였다고 사료된다.
- 5Ag 솔더에 비하여 복합 진동 시험에 대하여 상대적으로 좋은 신뢰성을 나타내었다. 전기 저항 증가의 결과와 비교하여 볼 때, Sn-3.5Ag의 경우 시험이 진행됨에 따라 150℃에서 전기 저항이 급격한 증가가 나타났고 접합 강도는 반대로 두드러지게 감소하는 관계를 나타냈었다.
- 5Ag에 대해서는 솔더 계면에 형성되는 판상의 Ag3Sn이 성장과 IMC 두께의 증가가 전기저항의 증가에 보다 기여하는 것으로 보인다. 전기 저항의 변화를 나타낸 Fig. 4의 결과를 통하여 Sn-0.7Cu가 Sn-3.5Ag에 비하여 복합 진동 환경에서 상대적으로 안정적임을 확인 하였다.
- 4에 도시하였다. 초기 저항은 두 솔더 모두 0.1 Ω의 값을 나타내었고 시험 시간이 증가하면서 무연 솔더의 전기 저항이 증가하는 경향을 나타내었으나 분위기 온도에 따른 차이를 나타내었다. 85℃에서의 복합 진동 시험의 경우 120시간 후에 Sn-3.
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