[논문]Sn 휘스커 연구동향

김근수

doi:10.6117/kmeps.2012.19.4.007

Sn 휘스커 연구동향
Sn Whisker Research Trend in Japan 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.19 no.4, 2012년, pp.7 - 12

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Sn whiskers are a serious cause of failure in electronic devices as they create short circuits. Sn whisker growth and mitigation have been investigated by many Japanese consortia including JEITA and JAXA. This paper gives an overview about recent researches of JEITA and JAXA....

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

2012년 이후에 JAXA Special Publication 또는 규격의 형태로 공개될 것으로 예상된다. 따라서 본 고에서는 현재까지 학회발표 등으로 공개된 워킹그룹 D의 Sn 휘스커와 관련된 활동내용의 일부를 정리하여 소개하고자 한다.
본 고에서는 일본 민수분야 Sn 휘스커 대응을 위한 JEITA 가이드라인과 JAXA에서 주관하여 2007년부터 실시한 활동내용 및 결과물을 중심으로 Sn 휘스커 대책에 대해 살펴보았다. 미국, 일본, EU에서는 각종 분야에서의 Sn 휘스커 대응을 위해 다양한 연구활동과 정부의 지원이 이루어지고 있다.
본 절에서는 JAXA의 연구내용을 중심으로 일본의 항공·우주분야에서의 Sn 휘스커 대응활동에 대해 소개하고자 한다.
그 결과물의 하나로 JEITA는 2010년에 “Sn 휘스커 억제 무연재료 선정의 가이드라인”³⁾을 출판하였다. 본 절에서는 위의 사업과 가이드라인을 중심으로 민수용 기기에 대한 Sn 휘스커 연구동향을 간략히 소개하고자 한다.
본고에서는 최근 수년간 일본에서 진행된 가전과 항공·우주분야에서의 Sn 휘스커 관련 연구를 소개하고자 한다.
따라서 도금 선정을 위해서는 특정의 적용범위에서 선정 도금의 양·불 판단이나 적용 범위가 넓은 도금개발을 위한 여러 가지 조건에서의 효과를 확인 등을 위해 각종 가압시험이 실시되고 있다. 이 가이드라인에서는 Sn 휘스커 억제도금의 선정, 개발을 위한 현재의 시험방법 중에서 목적 별로 최적의 시험방법을 선택하기 위한 지침을 제공하였다. 압자의 형태를 구상, 원주 등으로 다양화한 하중시험, 아크릴 윈도우 시험 등의 시험방법을 소개하였다.
이 가이드라인의 목적은 민수용 전자·전기기기의 무연 Sn 또는 Sn합금 도금 및 무연솔더 재료를 대상으로 Sn 휘스커 억제효과가 높은 무연재료를 적절하게 선정하는 수단을 제공하는 것이며, Sn 휘스커 발생·성장 메커니즘, 전자부품 단자도금재료의 선정에 관한 가이드라인, 전자부품 단자접속용 솔더재료 선정에 관한 가이드라인, 커넥터 도금, 플렉서블 기판의 도금 선정에 관한 가이드라인으로 구성되어 있다.
이 개발사업의 목표는 각종 환경 하에서 민수용 전자부품의 Sn 도금 및 솔더 접합부에서 발생하는 Sn 휘스커의 발생 메커니즘을 규명하고, 억제책, 시뮬레이션 기술, 신뢰성 평가기술과 평가기준을 확립하는 것이었다. Sn 휘스커 메커니즘 해석을 위해 외부응력(파인핏치 커넥터, 플렉서블 케이블), 내부응력(파인핏치 반도체 부품(QFP 등), 전해콘덴서), 부식(파인핏치 반도체 부품, 솔더접합부, 전해콘덴서) 환경에서 평가를 진행하였으며, 외부응력형 Sn 휘스커의 경우, 1000시간까지 50 µm 이하로, 내부응력형 Sn 휘스커의 경우, 상온 4000시간까지 50 µm 이하로, -40~85℃ 온도사이클 2000회까지 50 µm 이하로 Sn 휘스커 성장을 억제하는 것을 목표로 하였으며, 전해콘덴서의 경우, 상온 1000시간까지 50 µm 이하로 성장억제 하는 것을 목표로 하였다.

가설 설정

전형적인 면은 (321) 면과 (220) 면이다.¹¹⁾ 도금 표면에서 성장하는 Sn 휘스커의 성장방위는 기본적으로 [100] 방위여서 도금표면에 수직으로 서지 않게 된다. 하지만 실제로 관찰되는 Sn 휘스커는 수직으로 성장하는 경우도 많아, 다른 면과 방향도 고려되어야 한다.

제안 방법

Sn 휘스커 메커니즘 해석을 위해 외부응력(파인핏치 커넥터, 플렉서블 케이블), 내부응력(파인핏치 반도체 부품(QFP 등), 전해콘덴서), 부식(파인핏치 반도체 부품, 솔더접합부, 전해콘덴서) 환경에서 평가를 진행하였으며, 외부응력형 Sn 휘스커의 경우, 1000시간까지 50 µm 이하로, 내부응력형 Sn 휘스커의 경우, 상온 4000시간까지 50 µm 이하로, -40~85℃ 온도사이클 2000회까지 50 µm 이하로 Sn 휘스커 성장을 억제하는 것을 목표로 하였으며, 전해콘덴서의 경우, 상온 1000시간까지 50 µm 이하로 성장억제 하는 것을 목표로 하였다.
무연화 커뮤니티에서는 초기단계에서 다음과 같은 검토가 진행되었다. 단기적으로 유연 공정솔더를 계속적으로 사용하고, 입수불가 등의 상황에서 무연 등의 RoHS 대응 부품을 사용할 때의 대응책 마련을 위해, 혼재실장에 대해서 조사하여 평가항목, 방법, 대책을 검토, 부품, 재료의 무연화 동향 조사, Sn-Pb 솔더에 의한 HSD(Hot Solder Dip) 조사 등을 실시하였다. 장기적으로 RoHS 대응품(무연 대응품)을 사용한 무연화로의 완전대응을 위해 필요한 대응책 마련을 위해, 무연 부품, 재료의 실장관련 검토, 대 환경성, 신뢰성 평가방법의 검토 및 기준화, 문서화하는 작업을 진행하였다.
이 가이드라인에서는 Sn 휘스커 억제도금의 선정, 개발을 위한 현재의 시험방법 중에서 목적 별로 최적의 시험방법을 선택하기 위한 지침을 제공하였다. 압자의 형태를 구상, 원주 등으로 다양화한 하중시험, 아크릴 윈도우 시험 등의 시험방법을 소개하였다.
기계적 응력에 기인한 Sn 휘스커의 발생·성장은 금속반응인 Sn의 재결정화가 급속하게 진행되어 그 회복과정에서 전위의 국부적 집적이 발생하는 것이 원인으로 알려져 있다. 억제책으로는 응력구배를 높이지 않는 접촉구조, 도금구조로 설계하고, Sn의 재결정화를 억제하는 도금구조로 설계하여, 전위의 집중적인 편석이 일어나기 어려운 구조로 설계하는 것이 바람직하다. 내부응력형인 상온-대기 중에서 발생하는 Sn 휘스커의 경우, Sn 도금의 하지가 Ag, Ni이면 Cu와 비교하여 Sn의 화합물의 성장이 매우 늦기 때문에 Sn 휘스커 성장이 억제되는 효과를 가진다.
무연화 커뮤니티는 중심적 역할을 하는 JAXA 등의 코어 멤버와 결과물의 검토 등을 위한 커뮤니티멤버 등으로 구성되어, 정보의 수집, 공유화, 발신을 목적으로 하였다. 워킹그룹 A에서는 무연화 부품과 유연솔더 혼재 실장평가를 담당하여, 혼재실장에 있어서의 각 솔더링 공정 시의 문제점 조사, 우주환경을 고려한 접속 신뢰성 평가를 실시하였다. 워킹그룹 B에서는 무연화 동향조사, Sn-Pb 실장평가를 담당하여, 무연화에 대응하는 솔더, 프린트기판, 부품의 조사와 Sn-Pb 공정솔더 실장의 계속적인 실시에 대응하는 활동을 하였다.
워킹그룹 D에서는 우주기기에 무연부품이 탑재된 경우, 우주 특유의 진공환경과 인공위성이 지구를 공전하기 때문에 발생하는 온도사이클에 의한 Sn 휘스커 성장 거동의 검토를 위해, 열팽창계수 차에 의해 성장하는 Sn 휘스커의 평가를 진행하였다. 로켓으로 발사된 인공위성은 대기권에서 우주공간으로 이동하여 위성의 임무를 시작한다.
특히, 민수와 다른 우주환경에서 발생하는 Sn 휘스커의 성장거동을 규명하고, 억제법으로 컨포멀 코팅의 최적화 등을 진행하였다. 워킹그룹 E에서는 RoHS 대상물질의 조사를 담당하여, Cd의 대응 상황 동향조사, Cr⁶⁺의 대응상황 동향조사를 실시하였다.
단기적으로 유연 공정솔더를 계속적으로 사용하고, 입수불가 등의 상황에서 무연 등의 RoHS 대응 부품을 사용할 때의 대응책 마련을 위해, 혼재실장에 대해서 조사하여 평가항목, 방법, 대책을 검토, 부품, 재료의 무연화 동향 조사, Sn-Pb 솔더에 의한 HSD(Hot Solder Dip) 조사 등을 실시하였다. 장기적으로 RoHS 대응품(무연 대응품)을 사용한 무연화로의 완전대응을 위해 필요한 대응책 마련을 위해, 무연 부품, 재료의 실장관련 검토, 대 환경성, 신뢰성 평가방법의 검토 및 기준화, 문서화하는 작업을 진행하였다. 납 이외의 RoHS의 특정규제물질에 대한 계속 조사를 실시.
워킹그룹 D에서는 Sn 휘스커 평가를 담당하여, Sn 휘스커의 발생·성장 메커니즘 검토, 평가와 가속시험법, 억제법에 관한 활동을 하였다. 특히, 민수와 다른 우주환경에서 발생하는 Sn 휘스커의 성장거동을 규명하고, 억제법으로 컨포멀 코팅의 최적화 등을 진행하였다. 워킹그룹 E에서는 RoHS 대상물질의 조사를 담당하여, Cd의 대응 상황 동향조사, Cr⁶⁺의 대응상황 동향조사를 실시하였다.
납 이외의 RoHS의 특정규제물질에 대한 계속 조사를 실시. 필요에 따라 대응책(기술면, 관리면)을 검토하였다.

대상 데이터

그 결과물의 하나로 JEITA는 2010년에 “Sn 휘스커 억제 무연재료 선정의 가이드라인”3)을 출판하였다.

성능/효과

4) 길게 성장한 Sn 휘스커는 옆의 단자와 연결되어 일시 또는 영구적인 단락(short circuit)을 일으키거나, Sn 휘스커가 증발하여 플라즈마 아크를 형성하여 고장을 일으킬 수 있으며, 기계적 진동 또는 충격에 의해 Sn 휘스커가 분리되어 비산하면서 전자기기에 문제를 일으킬 수도 있다.
9 mm로 두 단자 사이에서 단락 되어 있었다고 보고하였다.⁶⁾ 이러한 단락은 가속페달을 밟는 방식에 따라 운전자의 의도와는 상관없이 오작동을 가능성이 있어 매우 위험하다. 이렇듯 심각한 시장고장이 계속해서 발생하고 있어 세계의 많은 연구자들과 산업계의 기술자들이 Sn 휘스커 문제해결을 위해 노력하고 있다.
Pa)과 대기 중에서 -40~125℃ 온도 사이클을 3000회 실시한 결과, 대기 중에 비해 진공 중에 비교적 길고, 필라멘트형의 Sn 휘스커가 성장하였다. 대기 중 온도사이클의 경우, 산화 등의 영향으로 도금표면의 수직에 가까운 방향으로 Sn 휘스커가 성장하기 어려워 위험성이 적은 것으로 알려져 있으나, 진공 중에는 수직방향을 성장하는 경향을 보여, Sn 휘스커에 의한 위험성이 높아지는 것으로 나타났다.
미국의 예를 보면, DSCC(Defense Supply Center Columbus)의 F-15 전투기 프로그램에서는 36000개의 부품 중 약30%가 특별 주문품이고 70%가 OEM(Original Equipment Manufacturing)에 의한 상용부품이다. 이 상용 부품을 X선 검사한 결과, 유연부품을 적용해야 하는 부품 중에 14%가 무연부품임을 발견하였다. 이처럼 항공·우주, 국방용 부품은 전체 생산량으로 보면 차지하는 비율이 매우 낮기 때문에 유연부품의 생산중지 사태가 발생하고 있다.
진공 중 온도사이클에 의한 Sn 휘스커의 성장거동을 파악하기 위해, 최종 도금이 Sn/Ni인 세라믹 캐퍼시터(capacitor)를 진공(10^-4Pa)과 대기 중에서 -40~125℃ 온도 사이클을 3000회 실시한 결과, 대기 중에 비해 진공 중에 비교적 길고, 필라멘트형의 Sn 휘스커가 성장하였다. 대기 중 온도사이클의 경우, 산화 등의 영향으로 도금표면의 수직에 가까운 방향으로 Sn 휘스커가 성장하기 어려워 위험성이 적은 것으로 알려져 있으나, 진공 중에는 수직방향을 성장하는 경향을 보여, Sn 휘스커에 의한 위험성이 높아지는 것으로 나타났다.
컨포멀 코팅재료로는 우라렌(uralane), 우레탄(urethane), 에폭시(epoxy), 아크릴(acrylic), Si, 파라 크실렌(para xylene) 계 등이 적용되고 있으나, Sn 휘스커 억제를 위해서는 경도와 영률(Young's modulus)이 높은 재료가 효과적인 것으로 나타났다.

후속연구

무연화 커뮤니티는 활동은 2011년까지 대부분 종료되었으나, 현재 최종 보고서 및 가이드라인을 작성하고 있는 중이다. 2012년 이후에 JAXA Special Publication 또는 규격의 형태로 공개될 것으로 예상된다. 따라서 본 고에서는 현재까지 학회발표 등으로 공개된 워킹그룹 D의 Sn 휘스커와 관련된 활동내용의 일부를 정리하여 소개하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Sn-Pb 도금의 장점은 무엇인가?	그 당시의 Sn 휘스커 대책으로는 Pb의 미량첨가에 의한 성장 완화였다. 최근까지 사용되어 온 Sn-Pb 도금은 젖음성, 솔더와의 접합성이 우수할 뿐만 아니라, 내휘스커성도 뛰어났다. 하지만 무연화가 실시됨에 따라 다시 Sn 휘스커의 위험성이 되살아났다.
	필라멘트형과 같이 봉상으로 성장한 Sn휘스커가 불량으로 작동하지 않는 경우는 무엇인가?	필라멘트형과 같이 봉상으로 성장하더라도 성장방향과 킹크(kink) 정도에 따라서 불량의 원인이 되지 않는 경우도 있다. 예를 들면, 온도사이클 환경에서 Sn 휘스커는 봉상으로 성장하는 것이 많으나 상온에서와 같이 도금표면에 수직에 가까운 각도로 성장하지 못하고, 도금표면에 수평에 가까운 각도를 가지고, 구불구불하게 성장한다. 따라서 온도사이클 환경에서 성장하는 Sn 휘스커는큰 위험요소가 되지 못한다고 알려져 있다. 하지만 대기 중이 아닌 진공 중에서는 상황이 달라진다.
	Sn 휘스커란 무엇인가?	Sn 휘스커는 Sn계 도금과 솔더에서 발생하는 고양이 수염과 같은 형상의 단결정으로 상온-대기 중을 포함한 각종 온도/습도 분위기에서 수 µm에서 수 cm 이상으로도 성장할 수 있다.4) 길게 성장한 Sn 휘스커는 옆의 단자와 연결되어 일시 또는 영구적인 단락(short circuit)을 일으키거나, Sn 휘스커가 증발하여 플라즈마 아크를 형성하여 고장을 일으킬 수 있으며, 기계적 진동 또는 충격에 의해 Sn 휘스커가 분리되어 비산하면서 전자기기에 문제를 일으킬 수도 있다.

참고문헌 (23)

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원문보기 상세보기
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상세보기
Government Electronics and Information Technology Association, "Requirements for Using Solder Dip to Replace the Finish on Electronic Piece Parts" (2008).

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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