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문제 정의
- %)을 갖는 Sn-Ag계 솔더와 Cu와 Ni기판 접합부를 대상으로 리플로우 시간에 따른 IMC 거동분석을 통한 젖음성 평가와 전단펀치(Shear Punch ; SP) 시험기법을 이용한 전단강도 및 파괴에너지를 도출하여 Pb-free 솔더 접합부의 기계적 물성평가를 실시하였다. 또한 이러한 평가결과를 통해 시험조건에 따라 솔더 접합 부의 기계적 물성을 데이터베이스(D/B)화하고 전단펀치 시험에 의한 솔더 접합부의 신뢰성 평가기술 정립을 위한 기초적인 데이터를 확보하고자 하였다.
- 본 논문에서는 Pb-free 솔더 접합부의 기판의 종류(Cu, Ni)에 따른 기계적 특성을 분석하였다. 또한 종래 사용되어온 Sn-37Pb 솔더와 Pb-free 솔더인 Sn-Ag계 솔더의 Cu함량(0, 0.
제안 방법
- 따라서 본 논문에서는 이상과 같은 연구배경 하에서 다양한 Cu 함량(0, 0.5, 1 wt.%)을 갖는 Sn-Ag계 솔더와 Cu와 Ni기판 접합부를 대상으로 리플로우 시간에 따른 IMC 거동분석을 통한 젖음성 평가와 전단펀치(Shear Punch ; SP) 시험기법을 이용한 전단강도 및 파괴에너지를 도출하여 Pb-free 솔더 접합부의 기계적 물성평가를 실시하였다. 또한 이러한 평가결과를 통해 시험조건에 따라 솔더 접합 부의 기계적 물성을 데이터베이스(D/B)화하고 전단펀치 시험에 의한 솔더 접합부의 신뢰성 평가기술 정립을 위한 기초적인 데이터를 확보하고자 하였다.
- 2는 솔더 접합부의 SP 시험과 접합부에서 일어나는 역학적 응력을 나타낸 개요도이다. 또한 각솔더 접합 계면부의 미세조직을 관찰하기 위해서 완성된 접합부 시편을 마운팅 한 후 미세연마하고 SEM을 이용해 관찰하였다. Fig.
- 본 논문에서는 Pb-free 솔더 접합부의 기판의 종류(Cu, Ni)에 따른 기계적 특성을 분석하였다. 또한 종래 사용되어온 Sn-37Pb 솔더와 Pb-free 솔더인 Sn-Ag계 솔더의 Cu함량(0, 0.5, 1 wt.%)을 다르게 하여 다양한 시간(10, 30, 100, 300sec)동안 리플로우한 솔더접합부의 젖음성 평가와 전단강도 시험을 실시하고 분석하였다. 연구결과는 다음과 같다.
- 7은 일정한 온도로 유지되는 솔더 플렉스 수지 안에서 다양한 리플로우 시간에 따른 Pb-free 솔더와 Sn-Pb 솔더의 계면반응을 Cu 기판에 대해 관찰한 SEM 사진이다. 이때 리플로우의 온도는 공정 Sn-37Pb의 경우 200℃에서, Pb-free 솔더의 경우는 240℃에서 실시하였으며, 항온유지와 내산 화성 분위기를 위해 모든 솔더링 반응 연구는 솔더 플렉스 수지 안에서 수행하였다. SEM 및 EDS 분석 결과 IMC의 거동은 솔더와 Cu 기판 계면에서 그리고 솔더의 내부 안에서 발견되었으며, 전반적으로 리플로우 시간이 증가됨에 따라 모든 경우에 있어 IMC인 Cu6Sn5(η상)의 입자크기가 점차 성장되고 있음을 알 수가 있다.
대상 데이터
- 또한 기존 Cu 기판과 Ni 기판 접합부의 특성을 비교하기 위해 고순도(99.99%) Cu, Ni Bar를 준비하고 Bar형태의 기판을 10×10 ×0.5(mm)의 크기로 가공하였다.
- 솔더에 따른 접합부의 기계적 특성을 조사하기 위해 Sn-37Pb와 Pb-free 솔더인 Sn-4Ag 그리고 미량의 Cu를 첨가한 Sn-4Ag-0.5Cu, Sn-4Ag-1Cu 솔더볼(0.12g)을 준비하였다. 또한 기존 Cu 기판과 Ni 기판 접합부의 특성을 비교하기 위해 고순도(99.
이론/모형
- 8) 즉, 솔더가 받는 응력과 변형이 접합상태에서 전단 방향으로 주로 작용되기 때문에 솔더 접합부에 대한 전단강도 인자는 신뢰성 평가 측면에서 중요하다고 말할 수 있다. 이에 본 연구에서는 솔더 접합부의 기계적 강도 평가에 전단펀치(SP) 시험법을 사용하였다. 본 시험법에는 미소시험편을 사용하기 때문에 size effect의 영향을 줄일 수 있을 뿐 아니라 응력 받는 영역의 크기가 시험시마다 동일하기 때문에 보다 정확한 전단응력을 쉽게 산출할 수 있는 이점이 있다.
성능/효과
- 1) Pb-free 솔더/ Cu기판 접합부의 계면반응을 살펴 보면, 모든 솔더 접합부에서 Cu6 Sn5 IMC층이 형성되었고 리플로우 시간이 증가함에 따라 IMC의 두께가 증가하였다. 전반적으로 기존 Pb 솔더 보다 Pb-free 솔더가 더 큰 IMC의 거동을 보이고 있으며 Sn-4Ag 솔더 접합부의 경우 Cu기판과 반응하여 Sn-4Ag-0.
- 1) 기존에 사용되던 Sn-Pb 솔더의 인체 및 환경에 대한 유해성과 그에 따른 선진국의 Pb규제 의무화로 인해 젖음특성 및 접합강도, 피로강도가 우수한 Sn-Ag계 솔더가 대체 솔더로 꼽히고 있다.2) 특히 이러한 Sn-Ag계 솔더 중에서도 융점과 젖음성 개선을 고려하여 미량의 Cu를 첨가한 Sn-Ag-Cu계솔더가 주목받고 있으며 더불어 Cu의 함량에 따른 Sn-Ag계 솔더합금의 접합특성에 대한 연구가 보고 되어지고 있으나 그 수는 매우 부족한 실정이다.
- 2) Pb-free 솔더/ Ni기판 접합부의 계면반응을 살펴 보면, Cu기판 접합부보다 약 30% 정도 낮은 성장을 보이고 리플로우 시간에 따라 안정적인 성장을 하는 것을 관찰할 수 있다.
- 3) 전단강도 측면에서 Pb-free 솔더/ Cu기판 접합부는 50℃의 경우에 솔더 접합부의 최대전단강도는 30℃와 비교해 약 20~30%정도의 최대전단강도 감소를 보였다. Sn-37Pb 솔더 접합부는 전반적으로 Pb-free 솔더 접합부보다 낮은 최대전단 강도를 보였다.
- 4) Pb-free 솔더/ Ni기판 접합부의 전단강도 시험 결과를 보면, Sn-4Ag 솔더의 경우에 전반적으로 최대전단강도가 다른 Pb-free 솔더 보다 약간 낮은 결과를 보였으며, Sn-4Ag-0.5Cu 솔더는 리플로우 시간에 따라 최대전단강도의 차이가 가장 적었으며 온도에 따른 변화도 크지 않았다. 하지만 Sn-4Ag-1Cu 솔더의 경우에는 리플로우 시간에 따른 최대전단강도의 차이가 다소 큰 경향을 보였고 이는 IMC층이 과대성장했기 때문으로 사료된다.
- 5) 두 기판 접합부에서 우수한 기계적 특성을 보인 Sn-4Ag-0.5Cu의 최대전단강도를 비교해 보면, 30℃에서 50℃로 시험온도 증가에 따른 최대전 단강도의 저하는 Ni 기판이 Cu기판의 경우 보다 작음을 알 수 있어 시험온도의 영향은 Cu 기판이더 크게 받음을 알 수 있다.
- 13은 리플로우 시간에 따른 Ni 기판 솔더 접합부에서 IMC 두께 거동을 나타낸 그림으로 Cu기판 접합부보다 약 30% 정도 낮은 성장을 보이고 리플로우 시간에 따라 안정적인 성장을 하는 것을 관찰할 수 있다. Cu기판 접합부와 마찬가지로 Sn-37Pb 솔더는 Pb-free 솔더 보다 IMC의 성장이 더딘 것을 확인하였으며, 특히 Cu가 첨가된 솔더의 경우에는 성장이 눈에 띄게 빠른 것을 확인할 수 있다. 이는 솔더 내 미량의 Cu가 솔더의 주성분인 Sn과 Ni기판과의 반응으로 Cu-Ni-Sn의 3원계 IMC를 형성하기 때문으로 사료된다.
- SEM 및 EDS 분석 결과 IMC의 거동은 솔더와 Cu 기판 계면에서 그리고 솔더의 내부 안에서 발견되었으며, 전반적으로 리플로우 시간이 증가됨에 따라 모든 경우에 있어 IMC인 Cu6Sn5(η상)의 입자크기가 점차 성장되고 있음을 알 수가 있다.
- 50℃의 경우에 솔더 접합부의 최대전단강도는 30℃와 비교해 약 20~30%정도의 τmax의 감소를 보였다. Sn-37Pb 솔더 접합부는 전반적으로 Pb-free 솔더 접합부보다 낮은 최대전단강도를 보였으며 Pb-free 솔더 합금중 Sn-4Ag 솔더는 전반적으로 30℃와 50℃에서 리플로우 시간이 증가됨에 따라 응력-변형률 선도의 증가와 함께 최대전단강도가 증가하고 있어 Cu와 솔더 접합부에서 솔더링 시간에 따른 안정된 IMC의 생성이 이루어지고 있음을 알 수 있다. 반면, Sn-4Ag-0.
- Sn-37Pb 솔더 접합부에서는 솔더와 기판 계면 가까이에 Pb-rich상이 성장하게 되는데 이는 솔더 내 Sn이 Cu와 결합으로 인한 작용이라고 사료된다. Sn-4Ag 솔더 접합부의 경우에도 리플로우 시간이 증가함에 따라 IMC층이 두꺼워지고 있음을 확인할 수 있고 기둥형태의 Cu6Sn5상이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이때 IMC층의 가까운 솔더 측에는 Ag3Sn상이 발견되었다.
- Sn-37Pb 솔더/Ni 접합부는 다른 솔더와 비교해서 리플로우 시간과 시험온도에 따른 최대전단강도는 큰 폭으로 감소하였다. Sn-4Ag 솔더의 경우에 전반적으로 최대전단강도가 다른 Pb-free 솔더 보다 약간 낮은 결과를 보였으며 Sn-4Ag-0.5Cu 솔더는 리플로우 시간에 따라 최대전단강도의 차이가 가장 적었으며 온도에 따른 변화도 크지 않았다. 하지만 Sn-4Ag-1Cu 솔더의 경우에는 리플로우 시간에 따른 최대전단강도의 차이가 다소 큰 경향을 보였다.
- 금속간 화합물의 거동을 살펴보면, 모든 솔더 접합부에서 리플로우 시간이 증가함에 따라 IMC의 두께가 증가하였고, 전반적으로 기존 Pb 솔더 보다 Pb-free 솔더가 더 큰 IMC의 거동을 보이고 있다. 또한 Sn-4Ag 솔더 접합부의 경우 Cu기판과 반응하여 Sn-4Ag-0.
- Sn-37Pb 솔더 접합부는 전반적으로 Pb-free 솔더 접합부보다 낮은 최대전단 강도를 보였다. 네 종류의 합금 중 Sn-4Ag-0.5Cu 솔더접합부가 가장 우수한 것으로 나타났다.
- Ni기판에서 Sn-37Pb 솔더 접합부 계면의 IMC 는 Ni3Sn4층으로 Cu기판 접합부의 Cu6Sn5층보다 같은 리플로우 시간에서 성장이 더딤을 확인할 수가 있다. 따라서 IMC 층 가까이에 형성되는 Pb-rich상덩어리도 Cu기판 접합부에 비해 상대적으로 적은 양이 관찰되었다.
- SEM 및 EDS 분석 결과 IMC의 거동은 솔더와 Cu 기판 계면에서 그리고 솔더의 내부 안에서 발견되었으며, 전반적으로 리플로우 시간이 증가됨에 따라 모든 경우에 있어 IMC인 Cu6Sn5(η상)의 입자크기가 점차 성장되고 있음을 알 수가 있다. 또한 리플로우 시간이 증가됨에 따라 IMC의 형태는 flat 형태에서 모양이 둥근 scallop 형상으로 변화함을 관찰할 수 있다.
- IMC층이 형성되었고 리플로우 시간이 증가함에 따라 IMC의 두께가 증가하였다. 전반적으로 기존 Pb 솔더 보다 Pb-free 솔더가 더 큰 IMC의 거동을 보이고 있으며 Sn-4Ag 솔더 접합부의 경우 Cu기판과 반응하여 Sn-4Ag-0.5Cu 솔더에 비해 상대적으로 IMC의 거동이 큰 것으로 관찰되었다.
- 전반적으로 볼 때 Pb-free 솔더는 공정 Sn-37Pb 솔더보다 우수한 접합강도를 보였으며, 전단강도 시험결과 네 종류의 합금 중 리플로우 시간에 따른 최대전단강도의 변화가 가장 적은 Sn-4Ag-0.5Cu 솔더 접합부가 가장 우수하다고 볼 수 있다.
- 전반적으로 시험온도와 리플로우 시간에 따른 최대전단강도의 변화는 리플로우 시간 10sec인 경우를 제외하고 Sn-4Ag-0.5Cu 솔더가 가장 적어, Cu 기판 접합부와 마찬가지로 Ni 기판 접합부에서도 Sn-4Ag-0.5Cu 솔더가 가장 우수한 기계적 특성을 보였다.
- 한편, 두 기판 접합부에서 우수한 기계적 특성을 보인 Sn-4Ag-0.5Cu의 최대전단강도를 비교해 보면, 30℃ 경우 Cu 기판 접합부는 Ni 기판 접합부 보다 약 15% 더 높게 나타났지만 50℃ 경우는 약 3~5%를 보여 그 정도가 감소됨을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 30℃에서 50℃로 시험온도 증가에 따른 최대전단강도의 저하는 Ni 기판이 Cu기판의 경우보다 작음을 알 수 있어 시험온도의 영향은 Cu 기판이 더 크게 받음을 알 수 있다. 향후 보다 높은 시험 온도에서 솔더 접합부에 대한 신뢰성 평가에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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