[논문]Sn-Ag-Cu-In-(Mn, Pd) 무연솔더의 솔더링성과 BGA 접합부 신뢰성

장재원; 유아미; 이종현; 이창우; 김준기

doi:10.6117/kmeps.2013.20.3.053

Sn-Ag-Cu-In-(Mn, Pd) 무연솔더의 솔더링성과 BGA 접합부 신뢰성
Solderability and BGA Joint Reliability of Sn-Ag-Cu-In-(Mn, Pd) Pb-free Solders 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.20 no.3, 2013년, pp.53 - 57

장재원 (한국생산기술연구원 용접접합기술센터) , 유아미 (한국생산기술연구원 용접접합기술센터) , 이종현 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 이창우 (한국생산기술연구원 용접접합기술센터) , 김준기 (한국생산기술연구원 용접접합기술센터)

초록
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Sn-3.0Ag-0.5Cu 무연솔더에서 Ag 함량의 감소는 기계적 충격 신뢰성 향상에 도움이 되는 반면 솔더링성을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 저 Ag함유 무연솔더의 솔더링성 향상을 위해 In을 첨가한 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 4원계 조성과 여기에 미량의 Mn 및 Pd을 첨가한 무연솔더 조성에 대하여 솔더 젖음성을 평가하고, 보드 레벨 BGA 패키지의 열싸이클링 및 기계적 충격 신뢰성을 평가하였다. Sn-1.2Ag-0.7Cu 조성에 0.4 wt% In을 첨가한 합금의 젖음성은 Sn-3.0Ag-0.5Cu에 근접한 수준으로 향상되었으나, 패키지의 열싸이클링 신뢰성은 Sn-3.0Ag-0.5Cu에 미치지 못하는 것으로 나타났다. Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 조성에 0.03 wt% Pd의 첨가는 솔더 젖음성 및 패키지 신뢰성을 저하시킨 반면에 0.1 wt% Mn을 첨가한 합금은 특히 기계적 충격 신뢰성이 Sn-3.0Ag-0.5Cu는 물론 Sn-1.0Ag-0.5Cu보다도 우수한 수준으로 향상되었는데, 이는 Mn 첨가가 합금의 모듈러스를 감소시킨 데에 기인하는 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Although the lowering of Ag content in Sn-3.0Ag-0.5Cu is known to improve the mechanical shock reliability of the solder joint, it is also known to be detrimental to the solderbility. In this study, the quaternary alloying effect of In and the minor alloying effects of Mn and Pd on the solderability, thermal cycling and mechanical shock reliabilities of the low Ag content Sn-1.2Ag-0.7Cu solder were investigated using board-level BGA packages. The solderability of Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In was proved to be comparable to that of Sn-3.0Ag-0.5Cu but its thermal cycling reliability was inferior to that of Sn-3.0Ag-0.5Cu. While the 0.03 wt% Pd addition to the Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In decreased the solderability and reliabilities of solder joint, the 0.1 wt% Mn addition was proved to be beneficial especially for the mechanical shock reliability compared to those of Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-1.0Ag-0.5Cu compositions. It was considered to be due that the Mn addition decreased the Young's modulus of low Ag content Pb-free solders.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

-40°C~125°C의 고온과 저온에서 각각 15분씩 유지하였으며, 총 5000회까지 열싸이클링을 수행하였다.
13) 본 연구에 사용된 무연 솔더들의 융점은 215°C~217°C로 거의 유사한 것으로 확인됨에 따라 리플로우 프로파일상 피크(peak) 온도인 248°C와 240°C, 230°C에서의 젖음성을 측정, 비교하였다.
)에서 직경 450 μm의 솔더볼로 제조하였다. 녹는점은 TA사의 Q-100 시차주사열량계(differential scanning calorimetry, DSC)를 사용하여 온도 상승 시 열류량의 변화 시작점으로써 측정하였다.
무연솔더 합금조성의 기계적 특성이 솔더 접합부의 신뢰성에 미치는 영향을 조사하기 위해 Fig. 4에 나타낸 규격으로 시편을 제작하여 인장시험을 수행하였다. 인장시험에 사용된 장비는 Instron 4481이었으며 시험속도는 10^-2s^-1(7.
PCB는 FR-4 재질로130×30×1(t) mm의 치수였으며, NSND(nonesolder mask defined) 타입의 패드를 OSP/Cu로 마감하였다. 보드 레벨에서의 신뢰성 테스트를 위해 Fig. 1과 같은 데이지 체인을 형성하였으며 리플로우 공정으로 BGA 패키지를 실장한 모듈을 제조하였다. 리플로우 솔더링시 사용된 솔더 페이스트는 SAC305 조성의 ALPHA OM-340(Cookcon Electronics) 제품이었다.
본 연구에서는 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 합금 조성¹²⁾에 대하여 In 첨가가 솔더의 젖음성과 접합부 열싸이클링 및 기계적 충격 신뢰성에 미치는 영향을 SAC305 및 SAC105와 비교하여 조사하였으며, 접합부 신뢰성 향상을 위하여 0.1 wt% Mn 및 0.03 wt% Pd 의 첨가효과를 조사하였다.
솔더 접합부의 조성별 열피로 특성을 평가하기 위하여 JESD22 A104D 시험조건 G¹⁸⁾ 규격에 따라 VT 7012 S2(VOTCH) 장비를 사용하여 열싸이클링 시험을 실시하였다. -40°C~125°C의 고온과 저온에서 각각 15분씩 유지하였으며, 총 5000회까지 열싸이클링을 수행하였다.
3에 본 연구에서 사용된 기계적 충격 신뢰성 시험의 모식도를 나타내었다. 이는 JEDEC의 board level drop test(JESD22 B113)²¹⁾와 달리 고정된 보드에 30 g 추를 일정 높이에서 낙하시켜 일정한 변위를 반복적으로 가하는 방식으로 설계하였다. 패키지의 고장기준은 샘플링속도 50 kHz에서 100 Ω 이상의 저항이 연속된 5회 중에 3회 이상 검출되는 것으로 설정하였다.
저Ag 함유 무연솔더의 솔더링성 향상을 위해 In을 첨가한 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 4원계 조성과 여기에 미량의 Mn 및 Pd을 첨가한 무연솔더 조성에 대하여 솔더 젖음성과 열싸이클링 및 기계적 충격 신뢰성에 미치는 영향을 조사하였다.
패키지의 고장기준은 샘플링속도 50 kHz에서 100 Ω 이상의 저항이 연속된 5회 중에 3회 이상 검출되는 것으로 설정하였다.

대상 데이터

1과 같은 데이지 체인을 형성하였으며 리플로우 공정으로 BGA 패키지를 실장한 모듈을 제조하였다. 리플로우 솔더링시 사용된 솔더 페이스트는 SAC305 조성의 ALPHA OM-340(Cookcon Electronics) 제품이었다.
솔더는 삼화비철(Samhwa Non-Ferrous Metal Ind. Co., Ltd.)에서 바(bar) 형태로 주조한 후 덕산하이메탈(DUKSAN HI-METAL Co., Ltd.)에서 직경 450 μm의 솔더볼로 제조하였다.
시험편은 3×10 mm의 Cu를 사용하였으며, 수용성 플럭스(WF6063M5, Senju Metal)을 도포하여 용융 솔더에 장입하였다.
4에 나타낸 규격으로 시편을 제작하여 인장시험을 수행하였다. 인장시험에 사용된 장비는 Instron 4481이었으며 시험속도는 10^-2s^-1(7.8 mm/min)이었다.

이론/모형

젖음성 시험은 JIS(Japanese Industrial Standard) Z 3198-4 규격¹⁴⁾에 따라 젖음성 측정장비인 SP-2(Malcomtech International Inc.)를 사용하여 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 wetting balance 테스트를 실시하였다. 시험편은 3×10 mm의 Cu를 사용하였으며, 수용성 플럭스(WF6063M5, Senju Metal)을 도포하여 용융 솔더에 장입하였다.

성능/효과

5의 세로축은 Cu 장입 후 2초가 지난 후에 측정된 젖음력(wetting force) 값이다. 0.4 wt% In을 첨가한 SAC-In 조성은 SAC305에 근접한 우수한 젖음력을 나타내었다. 이는 In의 첨가가 저Ag 함유 솔더의 젖음성 향상에 크게 기여했음을 의미한다.
이는 In의 첨가가 저Ag 함유 솔더의 젖음성 향상에 크게 기여했음을 의미한다.¹¹⁾ SAC-In 조성에 Mn 및 Pd을 첨가했을 경우에서는 젖음력이 다소 저하되는 결과가 관찰되었지만 저Ag 함유 무연솔더인 SAC105보다는 여전히 높은 젖음력을 유지하는 것을 알 수 있었다.
15) 즉, Sn-Ag-Cu계 무연솔더 조성들의 열팽창계수는 거의 유사한 것으로 알려져 있어 솔더 접합부의 열피로 특성의 차이는 조성별 미세조직 및 기계적 특성 차이가 주원인으로 고려된다.^16-17)
7에서 SAC305 조성의 경우 다른 솔더조성에 비해 기계적 충격 신뢰성이 낮은 것을 볼 수 있는데 이는 일반적으로 알려진 바와 같이 취성이 큰 Ag₃Sn 상이 다량 형성된 결과로 생각된다.⁴⁾ 또한 SAC-In 조성과 SAC-InPd 조성의 경우 척도모수는 SAC305에 비해 크지만 형상모수가 매우 작기 때문에 SAC305에 비해 기계적 충격 신뢰성이 향상되었다고 확신하기는 어려웠다.
Sn-1.2Ag-0.7Cu 조성에 0.4 wt% In을 첨가한 합금의 젖음성은 Sn-3.0Ag-0.5Cu에 근접한 수준으로 향상되었으며, Mn과 Pd의 첨가는 합금의 젖음성을 다소 저하시켰으나 SAC105에 비해서는 여전히 우수한 젖음성을 유지하는 것으로 판단되었다.
Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In을 비롯한 저Ag 함유 솔더들의 BGA 모듈 패키지 열싸이클링 신뢰성은 Sn-3.0Ag-0.5Cu 에 미치지 못하는 것으로 나타났는데, 이는 합금원소의 첨가가 솔더의 강도 증가에 별다른 기여를 하지 못한 결과로 생각된다.
Sn 석출상들의 분율이 증가하여 Orowan 효과에 의한 강도 향상으로 열싸이클링 신뢰성이 증가되는 것으로 보고하였다. 각 솔더 조성의 인장거동을 나타낸 Table 2를 보면 Pd 첨가를 제외한 저Ag 합금의 인장강도가 SAC305에 비해 현저히 낮은 것을 알 수 있는데, 이는 Terashima의 보고와 잘 일치하는 결과이다. 한편 Pd 첨가 저Ag 합금의 경우 비교적 높은 인장강도를 가지고 있으나 열싸이클링 신뢰성에는 별다른 기여를 하지 못하는 것으로 나타났다.
한편 Pd 첨가 저Ag 합금의 경우 비교적 높은 인장강도를 가지고 있으나 열싸이클링 신뢰성에는 별다른 기여를 하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 Fig. 6의 Weibull plot에서 높은 초기 불량률을 보이며 싸이클링 증가에 따라그 기울기가 변화되는 거동을 보이는 것으로 보아 다른 솔더 조성과는 다른 원인과 파단기구가 작용하는 것으로 파악되었다.
반면 SAC105와 SAC-InMn 조성은 SAC305와 유사하거나 훨씬 큰 형상모수를 가지면서 월등히 큰 척도모수를 나타내어 SAC305에 비해 현저히 우수한 기계적 충격 신뢰성을 보이는 것으로 나타났다. Ganesh 등^{4, 24-26)}에 의하면 Sn-Ag-Cu계 솔더에서 Ag의 함량이 낮아질수록 인장강도와 모듈러스는 감소하는 경향을 보이며, 솔더의 모듈러스가 낮을수록 충격흡수능력이 향상되어 기계적 충격 신뢰성이 향상되는 것으로 보고한 바 있다.
6에서 보면 SAC305 조성이 가장 큰 척도모수와 형상모수를 나타내어 다른 저Ag 솔더들에 비해 우수한 열싸이클링 신뢰성을 가지는 것을 알 수 있었다. 반면에 Ag의 함량을 1.0 wt% 수준으로 감소시킨 상태에서 In 및 Mn, Pd 원소들의 첨가시킨 경우는 SAC105에 비해 솔더 접합부의 열싸이클링 신뢰성에 눈에 띄는 차이를 나타내지 않는 것으로 관찰되었다.
각 솔더 조성의 인장거동을 나타낸 Table 2를 보면 Pd 첨가를 제외한 저Ag 합금의 인장강도가 SAC305에 비해 현저히 낮은 것을 알 수 있는데, 이는 Terashima의 보고와 잘 일치하는 결과이다. 한편 Pd 첨가 저Ag 합금의 경우 비교적 높은 인장강도를 가지고 있으나 열싸이클링 신뢰성에는 별다른 기여를 하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SAC305 무연솔더에서 Ag는 어떠한 역할을 하는가?	SAC305 무연솔더에서 3.0 wt%의 Ag는 공정조성에 가까운 합금을 형성하고 솔더 젖음성을 향상시키는 역할을 한다.5-6) 이러한 Ag 함량의 감소는 접합부에서 Ag3Sn 상의 형성을 감소시켜 기계적 충격 신뢰성을 향상시키는 것으로 알려져 있지만 젖음성과 열싸이클링(thermal cycling) 신뢰성은 저하되는 것으로 보고되고 있다.
	Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성의 장점과 단점은 무엇인가?	0Ag-0.5Cu 조성(SAC305)은 기존 유연솔더에 비해 34°C 정도 융점이 높지만 젖음성(wettability), 기계적 강도, 접합부 신뢰성 등이 양호하여 현재 무연 전자기기에서 가장 널리 사용되고 있다.1-3)
	보드레벨 낙하시험에서 무엇에 발생하는가?	낙하충격에 의해 보드가 급격히 휘어지고, 이에 따라 솔더 접합부에는 순간 인장응력이 가해진다. 이러한 낙하시험에서는 금속 간화합물(intermetallic compound, IMC) 인근의 솔더 영역에서 취성파괴가 주로 발생하는 것으로 보고되고 있다.19-20)

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저자의 다른 논문 :

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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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