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초록
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표면처리에 따른 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 솔더범프의 접합 강도 평가를 위하여 전단 속도 및 열처리 시간에 따른 볼 전단강도 시험을 실시하였다. 전반적으로, 전단속도가 증가함에 따라 전단강도는 증가하였지만 인성은 감소하는 경향을 나타내었다. 파괴모드 관찰 결과, 전단 속도가 증가함에 따라 파괴모드의 경우, ENIG(electroless nickel immersion gold) 처리는 취성파괴가 대부분 지배적으로 존재하였고, OSP(organic solderability preservative) 처리는 pad open이 주로 발생하였다. 또한, 500 mm/s의 고속전단시험에서는 열처리 시간이 증가함에 따라 표면처리별 전단강도와 인성 값 모두 감소하는 경향을 보였다. ENIG 표면처리가 OSP 표면처리 보다 좋은 접합강도 특성을 보이는 것은 솔더범프 계면의 금속간화합물의 물성 및 두께와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Ball shear test was performed by test variables such as loading speed and annealing time in order to investigate the effect of surface finishes on the bonding strength of Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In Pb-free solder. The shear strength increased and the ductility decreased with increasing shear speed. With i...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • PCB표면처리와 열처리 시간에 따른 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 솔더 접합부의 접합강도를 평가하기 위해 고속 전단시험을 실시하였고, 본 연구에 사용된 접합 강도 실험조건은 0~1000 시간 열처리를 진행한 시편과 500 mm/s의 고정된 고속전단 속도, 그리고 40 µm의 전단높이 조건하에서 ENIG 표면처리 및 OSP 표면처리에 대하여 전단강도 특성을 평가하였다.
  • Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 솔더 접합부의 계면 반응 특성과 기계적 강도에 대한 PCB 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 지름 450 µm 및 높이 350 µm 크기의 볼을 사용한 전단 강도 평가 샘플을 제작하였다.
  • 4In 조성의 솔더 접합부에서 솔더 범프 내부와 첨가된 In의 분포를 살펴보기 위하여 실시한 전자탐침 미세분석기를 이용한 map이미지를 나타내었다. map이미지는 대표적으로 ENIG 표면처리 된 솔더 접합부를 관찰하였다. In 의 분포 영역은 전자탐침 미세분석기의 map이미지에서 확인 할 수 있으며, Sn 내부에 Ag 영역과 같이 그물 형태로 전 영역에 분포되어 있는 것을 관찰하였다.
  • 솔더볼을 탑재(solder ball attach)후 하부 FR-4 기판과 솔더볼에 RMA(rosin mildly activated) 플럭스를 도포하고 217℃ 이상에서 60초 동안 리플로우 방식으로 접합 후에 플럭스 세척제를 사용하여 잔여 플럭스를 제거하였다. 각 시편은 총 64개의 솔더볼을 실장 하여 접합하였다. 실장된 솔더볼의 경우, 볼 전단 강도 시험을 위해 평가될 영역의 솔더볼을 제외하고 전단 시험기의 전단 팁에 영향을 끼치지 않기 위하여 나머지 솔더볼들은 제거하였다.
  • 또한 ENIG 표면처리 및 OSP 표면처리에 따라 열처리의 영향을 알아보기 위하여 표면처리 샘플을 150℃ 온도에서 1000 시간까지 열처리를 진행하여 500 mm/s 의 고정된 고속 조건에서 볼 전단시험을 진행하였다. 각 전단속도 및 열처리에 따른 PCB 표면처리별 파괴모드를 분석하기 위하여 시험이 끝난 시편의 파면 관찰은 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscopy)의 BSE(back scattered electron) 이미지와 EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy), 그리고 전자탐침 미세분석기(EPMA, electron probe micro analyzer)를 이용하여 분석하였으며, 파면 이미지는 image analyzer를 이용하여 분포된 영역의 각 상들을 정량화한 후 파괴모드를 분석하였다.
  • 일반적으로 전단 강도 평가시, 파괴 모드의 정량적 정의와 결과는 매우 중요한 기준이 된다. 그러므로 본 연구에서는 전단속도에 따른 파괴 모드를 정량적으로 분석하기 위하여 파괴가 일어난 시편의 단면을 관찰하여 Fig. 8 와 같이 잔류하는 솔더 및 금속간화합물을 기준으로 정량적으로 분석하였다. 또한, 각 그림에 대하여 동일한 기준을 적용하여 전단속도 및 열처리에 따른 전단강도평가의 파면을 파괴모드로 분석하였다.
  • 기판 위 표면처리는 각각 OSP와 대략 5% 정도의 P 함량을 지닌 ENIG(Ni-P 층: 4 µm, immersion Au 층: 0.15 µm) 처리가 되었으며, 패드 직경은 300 µm으로 제작하였다.
  • 4In 조성을 가진 솔더 합금과 표면처리에 따른 솔더 접합부의 신뢰성에 관한 연구는 아직 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 솔더 합금과 PCB 표면처리에 따른 솔더 접합부의 미세구조 분석 및 파괴모드 분석을 실시하여, 기계적 강도 특성에 대하여 평가하였다.
  • 13) 기준을 적용하여 고속전단속도에 포함되는 10 mm/s~1000 mm/s 조건과 전단높이 40 µm의 조건으로 전단강도 평가 후, 파괴모드 분석을 통하여 표면처리에 따른 영향을 살펴 보았다. 또한 ENIG 표면처리 및 OSP 표면처리에 따라 열처리의 영향을 알아보기 위하여 표면처리 샘플을 150℃ 온도에서 1000 시간까지 열처리를 진행하여 500 mm/s 의 고정된 고속 조건에서 볼 전단시험을 진행하였다. 각 전단속도 및 열처리에 따른 PCB 표면처리별 파괴모드를 분석하기 위하여 시험이 끝난 시편의 파면 관찰은 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscopy)의 BSE(back scattered electron) 이미지와 EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy), 그리고 전자탐침 미세분석기(EPMA, electron probe micro analyzer)를 이용하여 분석하였으며, 파면 이미지는 image analyzer를 이용하여 분포된 영역의 각 상들을 정량화한 후 파괴모드를 분석하였다.
  • 8 와 같이 잔류하는 솔더 및 금속간화합물을 기준으로 정량적으로 분석하였다. 또한, 각 그림에 대하여 동일한 기준을 적용하여 전단속도 및 열처리에 따른 전단강도평가의 파면을 파괴모드로 분석하였다. Fig.
  • 본 연구에 사용된 전단 강도 평가의 실험 조건은 10 mm/s~1000 mm/s의 전단 시험 속도와 40 µm의 전단높이 조건하에서 고속의 전단속도에 대한 각각의 표면처리에 하여 접합 강도 특성을 평가하였다.
  • 본 연구에서 시행한 전단속도 조건은 JEDEC(joint electronic device engineering council) 규격(JEDEC22-B117A).13) 기준을 적용하여 고속전단속도에 포함되는 10 mm/s~1000 mm/s 조건과 전단높이 40 µm의 조건으로 전단강도 평가 후, 파괴모드 분석을 통하여 표면처리에 따른 영향을 살펴 보았다.
  • 4In 솔더 접합부의 접합강도를 평가하기 위해 볼 전단 시험을 실시하였다. 볼 전단시험은 고속 접합 강도 시험기(Dage-4000HS)를 이용하여 평가하였다. 본 연구에 사용된 전단 강도 평가의 실험 조건은 10 mm/s~1000 mm/s의 전단 시험 속도와 40 µm의 전단높이 조건하에서 고속의 전단속도에 대한 각각의 표면처리에 하여 접합 강도 특성을 평가하였다.
  • 7에 나타내었다. 이러한 분석은 각 파면 SEM 이미지에서 존재하는 솔더, 금속간화합물 층, 또는 pad open된 영역을 모두 정량적으로 측정 계산하였다. Fig.
  • 전단 속도와 표면처리에 따른 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 솔더 접합부의 접합강도를 평가하기 위해 볼 전단 시험을 실시하였다. 볼 전단시험은 고속 접합 강도 시험기(Dage-4000HS)를 이용하여 평가하였다.
  • 표면처리와 열처리 시간에 따른 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 솔더 접합부의 기계적 강도 평가를 위하여 볼 전단강도 시험을 실시하였다. 전단속도가 증가함에 따라 ENIG 표면처리 및 OSP 표면처리는 전단강도는 증가하였고, 인성 값은 감소하였다.

대상 데이터

  • 4In 솔더 접합부의 계면 반응 특성과 기계적 강도에 대한 PCB 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 지름 450 µm 및 높이 350 µm 크기의 볼을 사용한 전단 강도 평가 샘플을 제작하였다. 샘플 제작을 위해 하부에 사용된 기판은 PCB타입의 FR-4기판이 사용되었으며, NSMD(non solder mask defined) 타입으로 설계되었다. 기판 위 표면처리는 각각 OSP와 대략 5% 정도의 P 함량을 지닌 ENIG(Ni-P 층: 4 µm, immersion Au 층: 0.

이론/모형

  • 실장된 솔더볼의 경우, 볼 전단 강도 시험을 위해 평가될 영역의 솔더볼을 제외하고 전단 시험기의 전단 팁에 영향을 끼치지 않기 위하여 나머지 솔더볼들은 제거하였다. 기판과 접합된 솔더볼 접합부 계면의 기계적 특성 평가는 미국 Richardson Electronics사의 범용 접합부 테스트 장비(Dage-4000HS)를 이용하여 고속전단평가를 실시 하였다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Sn-37Pb 유연 솔더가 RoHS와 같은 법령에 의해 세계적인 환경규제로 인해 무연 솔더에 대한 관심이 높아지고 있는 이유는? 기존 전자 패키징(electronic packaging) 및 표면 실장(SMT, surface mount technology) 분야에서 주로 쓰였던 Sn-37Pb 유연 솔더(solder)는 환경과 인체에 대한 유해성이 대두됨에 따라 RoHS(restricting the use of hazardous substances)와 같은 법령에 의해 세계적인 환경규제로 인해 무연 솔더에 대한 관심이 높아지고 있다.1,2) 이러한 사회적 분위기 속에서 산업체에 각광을 받고 있는 소재 중의 하나가 3원계의 Sn-Ag-Cu계 솔더인데, 그 중에서도 젖음 특성 및 접합부의 신뢰성 측면에서 우수한 것으로 알려진 Sn-3.
ENIG 표면처리가 OSP 표면처리 보다 좋은 접합강도 특성과 연관된 것은 무엇인가? 또한, 500 mm/s의 고속전단시험에서는 열처리 시간이 증가함에 따라 표면처리별 전단강도와 인성 값 모두 감소하는 경향을 보였다. ENIG 표면처리가 OSP 표면처리 보다 좋은 접합강도 특성을 보이는 것은 솔더범프 계면의 금속간화합물의 물성 및 두께와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단된다.
인쇄회로기판에 실장된 칩 패키지의 환경 친화적 표면처리공법에는 무엇이 있는가? 특히, 인쇄회로기판(PCB, printed circuit board)에 실장된 칩 패키지는 기판상 구리패드의 표면처리 물질 또는 기술에 따라서 솔더 접합부 신뢰성에 지대한 영향을 받는다. 환경 친화적 표면처리공법으로 유기 땜납성 보존제(OSP, organic solderability preservative), 무전해 Ni 도금/Au 치환 도금(ENIG, electroless nickel immersion gold)처리 등이 산업체 전반에 널리 쓰이고 있다.9-12) 최근 2, 3원계 공정 조성의 솔더 합금에 따른 기계적 신뢰성 평가가 연구의 주종을 이루고 있는 반면에 새롭게 개발된 제 4원계 Sn-1.
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참고문헌 (20)

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  10. V. Denis and C. Gilles, "OSP Coatings: The Nitrogen Solution", Proc. 18th Electronic Manufacturing Technology Symposium, Austin, 101, IEEE Components, Packaging and Manufacturing Technology Society (CPMT) (1995). 

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  12. H. K. Lee, S. H. Son, H. Y. Lee and J. M. Jeon, "A Study on the ENIG Surface Finish Process and Its Properties", J. Kor. Inst. Surf. Eng., 40(1), 32 (2007). 

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  16. C. S. Yoo, S. S. Ha, B. K. Kim, J. K. Jang, W. C. Seo and S. B. Jung, "Interfacial Reaction and Mechanical Property of BGA Solder Joints with LTCC Substrate", J. Kor. Inst. Met. & Mater., 47(3), 202 (2009). 

  17. J. H. Ahn, K. S. Kim, Y. C. Lee, Y. Kim and S. B. Jung, " Regulation in Shear Test Method for BGA of Flip-chip Packages", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(3), 1 (2010). 

  18. J. M. Koo, B. Q. Vu, Y. N. Kim, J. B. Lee, J. W. Kim, D. U. Kim, J. H. Moon and S. B. Jung, "Mechanical and Electrical Properties of Cu/Sn-3.5Ag/Cu Ball Grid Array (BGA) Solder Joints after Multiple Reflows", J. Electron. Mater., 37(1), 118 (2007). 

  19. J. M. Kim, M. H. Jeong, S. H. Yoo and Y. B. Park., "Effect of Interfacial Microstructures on the Bonding Strength of Sn- 3.0Ag-0.5Cu Pb-free Solder Bump", Jpn. J. Appl. Phys., 51(5), 05EE06 (2011). 

  20. H. Nishikawa, K. Miki and T. Takemoto, "Effect of Aging Conditions on Impact Strength of Sn-3.5Ag Based Soder Joint", Proc. 9th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC), Singapore, 553, IEEE Components, Packaging and Manufacturing Technology Society (CPMT) (2007). 

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