PCB 표면처리에 따른 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 무연솔더 접합부의 기계적 신뢰성에 관한 연구 Effects of PCB Surface Finishes on Mechanical Reliability of Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In Pb-free Solder Joint원문보기
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.
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.
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...
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 increasing shear speed, the electroless nickel immersion gold (ENIG) finish showed dominant brittle fracture mode, while organic solderability preservative (OSP) finish showed pad open fracture mode. The shear strength and toughness for both surface finishes decreased with increasing annealing time under the high-speed shear test of 500 mm/s. Typically, the thickness of intermetallic compound increased with increasing annealing time, which means that exposure of brittle fracture became much easier. With increasing annealing time, the both ENIG and OSP finishes exhibited the pad open fracture mode. Overall, ENIG finish showed higher shear strength rather than OSP finish due to its superior barrier stability.
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 increasing shear speed, the electroless nickel immersion gold (ENIG) finish showed dominant brittle fracture mode, while organic solderability preservative (OSP) finish showed pad open fracture mode. The shear strength and toughness for both surface finishes decreased with increasing annealing time under the high-speed shear test of 500 mm/s. Typically, the thickness of intermetallic compound increased with increasing annealing time, which means that exposure of brittle fracture became much easier. With increasing annealing time, the both ENIG and OSP finishes exhibited the pad open fracture mode. Overall, ENIG finish showed higher shear strength rather than OSP finish due to its superior barrier stability.
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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.
성능/효과
Fig. 7(a)와 같이, ENIG 표면처리의 경우 초기 10 mm/s의 전단속도에서 존재하는 파괴모드는 연성파괴가 일어나는 것을 관찰할 수 있었으며, 1000 mm/s의 전단속도 조건에서는 다양한 파괴모드가 존재하였고 취성파괴의 비율이 가장 큰 것으로 관찰되었다. OSP의 경우 1000 mm/s의 전단속도에서, 전단 강도가 다소 감소하는 경향을 관찰하였으며 파면 관찰을 통해, 시험된 대부분의 파괴모드가 pad open이 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
6(a)의 10 mm/s 전단속도에서는 솔더의 파괴에 의한 파괴가 관찰되었으며, Fig. 6(b) 1000 mm/s 의 전단속도에서 금속간화합물 층 및 PCB 표면에 파괴가 일어난 것을 확인 할 수 있다. Fig.
Fig. 3(b)의 OSP 표면처리 된 솔더 접합부에서는 접합 후 솔더와 패드 계면에 Cu6Sn5 상만이 관찰되었고, 솔더 내부에는 ENIG 표면처리 접합부와 마찬가지로 그물 형태의 Ag3(Sn,In) 상이 생성된 것을 관찰할 수 있었다.
20) 또한, 이전에 보고된 다양한 연구 결과에 의하면 솔더 접합부에 Cu 의 용해 현상은 석출 경화 효과로 기계적 특성을 향상시키게 되지만, 금속간화합물의 과도한 성장은 전단강도 값을 감소시키는 원인이 된다고 보고 된 바 있다.20) 본 연구에서는 열처리 시간이 증가할수록 Cu 의 용해와는 관련 없이 전단강도 및 인성 값은 점진적으로 감소하였다. 이러한 전단강도가 감소한 경향은 금속간화합물의 석출에 의한 기계적 특성 향상과는 달리, 솔더 계면의 금속간화합물 성장에 의한 결과인 것으로 판단된다.
5Cu 조성으로 이루어진 솔더의 경우 외부에서 인가되는 응력(stress)에 의해 크랙(crack)의 전파가 비교적 잘 이루어지는 특성을 나타내는 것으로 보고되고 있다.4) 이러한 특성은 낙하 시험(drop test)과 같이 외부에서 응력이 급격하게 가해질수록 더욱 명확하게 관찰되는데, 이는 기존의 Sn-37Pb 조성에 비하여 소성 변형에 대한 저항성이 크기 때문으로 솔더 합금의 연성(elongation)을 향상시킴으로써 개선될 수 있다. Sn-3.
ENIG 표면처리 된 솔더 접합부의 전단강도와 인성 값이 전단속도에 따라 OSP 표면처리 접합부보다 다소 높게 평가되었다. 이러한 결과는 ENIG 표면처리와 OSP 표면처리는 서로 다른 Sn/Ni/Cu 및 Sn/Cu 접합 구조이며, 계면에서 형성되는 금속간화합물의 종류 및 두께의 차이 때문으로 판단된다.
7(a)와 같이, ENIG 표면처리의 경우 초기 10 mm/s의 전단속도에서 존재하는 파괴모드는 연성파괴가 일어나는 것을 관찰할 수 있었으며, 1000 mm/s의 전단속도 조건에서는 다양한 파괴모드가 존재하였고 취성파괴의 비율이 가장 큰 것으로 관찰되었다. OSP의 경우 1000 mm/s의 전단속도에서, 전단 강도가 다소 감소하는 경향을 관찰하였으며 파면 관찰을 통해, 시험된 대부분의 파괴모드가 pad open이 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 일반적으로 pad open의 경우 PCB 전극과 솔더 접합부간에 계면의 취약성에 의해 발생한다고 보고 되어진다.
9에서 보여지는 것과 같이 열처리 시간이 증가함에 따라 ENIG 표면처리 및 OSP 표면처리의 전단강도와 인성 값은 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 ENIG 표면처리 및 OSP표면처리에 따라 전단강도를 비교 해 보았을 때 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리에 비하여 다소 높게 평가됨을 알 수 있는 데, 이는 전단속도와 같은 금속간화합물의 두께 영향으로 ENIG 표면처리의 전단강도가 다소 높게 나온 것으로 판단된다. 열처리가 진행될 시, 이전의 연구 결과에 의하면, 1200h 동안 열처리를 진행하였을 때 OSP 표면처리의 경우, 조대한 금속간화합물이 형성되었고, 반면에 ENIG 표면처리는 낮은 금속간화합물의 성장 거동을 보였다.
ENIG 표면처리의 경우 전단속도가 증가함에 따라 금속간화합물 파괴분율이 증가하면서 금속간화합물에서 파괴가 일어나는 취성파괴 모드를 나타냈으며, 반면에 OSP 표면처리는 pad open이 주요 파괴모드로 발생하였다. 열처리 시간에 따라 전단강도와 인성 값은 표면처리와 무관하게 모두 감소하는 경향을 보였다. 하지만 전체적으로는 ENIG 표면처리의 경우, OSP 표면처리 보다 전단강도가 높게 평가 되었기 때문에 좋은 접합특성을 가지는 것으로 판단된다.
11(b)의 OSP 표면처리는 초기 0 시간에 완전한 취성파괴가 주요 파괴모드를 나타냈으며, 이는 OSP에 비하여 상대적으로 확산방지막을 가지고 있는 ENIG의 경우는 금속간화합물의 성장이 느리기 때문으로 판단된다. 열처리 시간이 증가함에 따라 두 표면처리 모두 Fig. 9의 파면 이미지와 동일하게 pad open이 증가한 것을 관찰할 수 있었다.
4In 솔더 접합부의 기계적 강도 평가를 위하여 볼 전단강도 시험을 실시하였다. 전단속도가 증가함에 따라 ENIG 표면처리 및 OSP 표면처리는 전단강도는 증가하였고, 인성 값은 감소하였다. ENIG 표면처리의 경우 전단속도가 증가함에 따라 금속간화합물 파괴분율이 증가하면서 금속간화합물에서 파괴가 일어나는 취성파괴 모드를 나타냈으며, 반면에 OSP 표면처리는 pad open이 주요 파괴모드로 발생하였다.
후속연구
그러나 Ag 의 함량 감소는 솔더의 젖음성(wettability)의 감소에 직접적인 원인으로 작용하게 되는데, 이는 일차적으로 생산 단계의 솔더링 공정에서 접합부 형성 수율을 감소시키는 심각한 결과를 야기시키게 된다. 따라서 기존 무연 솔더 조성에서 Ag 함량을 감소시켜 합금의 연성을 향상시키고 합금의 가격 경쟁력을 개선시키기 위해서는 솔더 조성에 제 4 원소를 첨가시켜 솔더의 젖음성 감소를 최소화하고자 하는 연구가 병행되어야 한다.
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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