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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 열충격시험, 고온고습동작시험 및 진동시험에 대해 시험시간에 따른 자동차 전장품에 적용된 Sn-3.0Ag-0.5Cu 무연솔더 접합부의 접합강도의 열화특성에 대해 연구하였다. 또한 전장제품의 차량내 장착 위치에 따른 열화특성을 선행연구 자료와 비교하였다.
- 엔진룸용 전장제품의 경우, 선행 연구결과를 바탕으로, 솔더 접합강도의 열화 특성을 비교 분석하였다. 또한 무연화 전장제품에서 발생 가능한 휘스커 발생 및 억제방안에 대해 조사하였고, 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 6 mm의 FR-4(glass fiber/epoxy resin)를 사용하였다. PCB의 표면처리는 OSP(organic solderability preservative)와 ENIG(electroless nickel immersion gold) 2종을 각각 제작하였으며, 표면처리에 따른 솔더 접합부의 열화특성을 비교분석 하였다. 샘플 제작을 위해 Sn-37Pb와 Sn-3.
- 전원인가는 PCB에서 발생되는 이온 마이그레이션에 의한 고장발생에 대한 검증을 포함하는 의미에서 동작시험을 진행하였다. 내구신뢰성시험 후 3종의 대상부품에 대한 균열발생 및 접합강도를 측정하여, 시험시간에 따른 솔더 접합강도의 변화를 측정하였다.
- 또한 전장제품의 차량내 장착 위치에 따른 열화특성을 선행연구 자료와 비교하였다. 또한 전장제품에 무연솔더를 적용하기 위해 반드시 고려해야 할 휘스커 성장, 컨포멀 코팅 종류 및 억제방안, 전장용 전자부품의 요구조건에 대해 선행연구 자료분석을 기반으로 제시하였다.
- 5Cu 무연솔더 접합부의 접합강도의 열화특성에 대해 연구하였다. 또한 전장제품의 차량내 장착 위치에 따른 열화특성을 선행연구 자료와 비교하였다. 또한 전장제품에 무연솔더를 적용하기 위해 반드시 고려해야 할 휘스커 성장, 컨포멀 코팅 종류 및 억제방안, 전장용 전자부품의 요구조건에 대해 선행연구 자료분석을 기반으로 제시하였다.
- 실내 전장제품의 내구신뢰성 검증을 위한 대상부품은 2012 칩 저항기와 2012 칩 콘데선 및 QFP 패키지를 선정하여 솔더 접합부의 전단강도 및 45° 리드 인장강도를 측정하였다. 또한 접합계면의 균열발생 유무를 확인하기 위해 단면분석을 실시하였다. 접합계면에 발생된 균열길이를 정량화하기 위해 균열율(solder joint crack ratio, SCR)을 다음 식 1과 같이 정의하였다.
- 시험조건은 현재 완성차에서 적용되고 있는 검증조건과 동일한 시험조건을 적용하였다. 시험 항목으로는 열충격시험과 고온고습시험을 실시하였다. 열충격시험 조건은 -40 ~ 85 ℃, 각 온도에서 유지시간 10분, 온도변화 속도는 3분 이내로 하여 1,500 cycles 동안 실시하였다(그림 5).
- 고온고습시험은 85 ℃, 85%RH 조건에서 3,000 시간 동안 진행하였다. 실험 중 샘플의 동작을 위해 Stand-by ON 상태로 전원을 인가하며 진행하였다. 전원인가는 PCB에서 발생되는 이온 마이그레이션에 의한 고장발생에 대한 검증을 포함하는 의미에서 동작시험을 진행하였다.
- 자동차 전장제품에 SAC305 무연솔더 적용을 위해 실내 전장품 샘플을 제작하여 솔더 접합부 열화율 및 균열발생 비율을 내구신뢰성 시험조건에 따라 분석하였다. 엔진룸용 전장제품의 경우, 선행 연구결과를 바탕으로, 솔더 접합강도의 열화 특성을 비교 분석하였다. 또한 무연화 전장제품에서 발생 가능한 휘스커 발생 및 억제방안에 대해 조사하였고, 그 결과는 다음과 같다.
- 의 연구결과는 다음 그림 9와 같다. 열충격과 열싸이클 시험의 온도범위는 자동차의 사용환경인 -40~150 ℃, 각 온도에서 유지 시간은 각 10분으로 하여 1 cylce 시간은 25분 이으로 설정 후 각각 1500 싸이클까지 진행하였다19). 실험결과 1,500 cycles 후 모든 시험에서 접합강도의 열화가 급속히 나타나는 것을 알 수 있다.
- 시험 항목으로는 열충격시험과 고온고습시험을 실시하였다. 열충격시험 조건은 -40 ~ 85 ℃, 각 온도에서 유지시간 10분, 온도변화 속도는 3분 이내로 하여 1,500 cycles 동안 실시하였다(그림 5). 고온고습시험은 85 ℃, 85%RH 조건에서 3,000 시간 동안 진행하였다.
- 유무연 솔더를 적용하여 제작된 실내 전장품의 솔더 접합부 열화특성을 비교분석 하기 위해 내구신뢰성시험을 진행하였다. 시험조건은 현재 완성차에서 적용되고 있는 검증조건과 동일한 시험조건을 적용하였다.
- 은 3216 칩저항기와 44 pin QFP 패키지의 접합강도 열화특성에 대한 Hong et all의 연구결과 이다. 이 연구에서는 열충격시험을 -40~ +125 ℃ 의 온도범위에서 각각 고온과 저온에서 10분간 유지하며, 각 온도에서 변화속도는 5분 이내로 하여 총 2,000 사이클 동안 시험을 진행하였다22). 그 결과, 열충격시험을 이용하여 칩 부품과 SMD형 QFP 부품의 SAC305 무연솔더 접합부 열화특성은 수동부품은 최소 1,200 cycles부터 능동부품의 경우에는 800 cycles 이후 열화가 나타난다고 보고하고 있다22).
- 자동차 전장제품에 SAC305 무연솔더 적용을 위해 실내 전장품 샘플을 제작하여 솔더 접합부 열화율 및 균열발생 비율을 내구신뢰성 시험조건에 따라 분석하였다. 엔진룸용 전장제품의 경우, 선행 연구결과를 바탕으로, 솔더 접합강도의 열화 특성을 비교 분석하였다.
- 자동차 전장제품에 무연솔더 적용 가능성 연구를 위하여 실내 전장품 1종을 선정하였으며, 다음 그림 2와 같이 실험샘플을 준비한 후 내구신뢰성 검증을 진행하였다. 대상 샘플은 실내 전장품으로써, 사용 온도조건의 범위는 -40 ~ 85 ℃로써 온도편차 ΔT = 125 ℃이다.
- 실험 중 샘플의 동작을 위해 Stand-by ON 상태로 전원을 인가하며 진행하였다. 전원인가는 PCB에서 발생되는 이온 마이그레이션에 의한 고장발생에 대한 검증을 포함하는 의미에서 동작시험을 진행하였다. 내구신뢰성시험 후 3종의 대상부품에 대한 균열발생 및 접합강도를 측정하여, 시험시간에 따른 솔더 접합강도의 변화를 측정하였다.
대상 데이터
- 대상 샘플은 실내 전장품으로써, 사용 온도조건의 범위는 -40 ~ 85 ℃로써 온도편차 ΔT = 125 ℃이다.
- PCB의 표면처리는 OSP(organic solderability preservative)와 ENIG(electroless nickel immersion gold) 2종을 각각 제작하였으며, 표면처리에 따른 솔더 접합부의 열화특성을 비교분석 하였다. 샘플 제작을 위해 Sn-37Pb와 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305, Senju Metal Co.) 무연솔더를 각각 사용하였다. 그림 3은 샘플 제작을 위해 사용된 최적 조건의 리플로우 온도 프로파일이며, 최고 온도는 245℃ 이였다.
- 유무연 솔더를 적용하여 제작된 실내 전장품의 솔더 접합부 열화특성을 비교분석 하기 위해 내구신뢰성시험을 진행하였다. 시험조건은 현재 완성차에서 적용되고 있는 검증조건과 동일한 시험조건을 적용하였다. 시험 항목으로는 열충격시험과 고온고습시험을 실시하였다.
- 실내 전장제품의 내구신뢰성 검증을 위한 대상부품은 2012 칩 저항기와 2012 칩 콘데선 및 QFP 패키지를 선정하여 솔더 접합부의 전단강도 및 45° 리드 인장강도를 측정하였다.
- 자동차 전장제품에 사용되는 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)은 유리천이온도(Tg)가 145 ℃이며, 두께 1.6 mm의 FR-4(glass fiber/epoxy resin)를 사용하였다. PCB의 표면처리는 OSP(organic solderability preservative)와 ENIG(electroless nickel immersion gold) 2종을 각각 제작하였으며, 표면처리에 따른 솔더 접합부의 열화특성을 비교분석 하였다.
성능/효과
- 1) 열충격시험 1,500 cycles 후 솔더 접합부의 접합강도는 OSP가 ENIG 표면처리 보다 높게 나타났으며, 고온고습 2,000 h 후 칩 콘덴서의 접합강도 변화율은 OSP가 ENIG 보다 작게 감소하였고, 칩 저항기에서는 변화율이 초기 대비 유사한 것으로 나타났다. 이 결과로 볼 때, SAC305 무연솔더는 자동차 실내 전장품으로 적용 가능할 것으로 사료되며, 이 때 PCB 표면처리는 OSP와 ENIG가 유사한 것으로 나타났다.
- 2) 실내 전장제품과 엔진룸용 전장품의 파괴모드 및 메커니즘은 열-기계적 피로파괴로 나타났다. 사용환경에 따라 최고/최저 온도편차가 다르지만, 솔더 접합부의 열화 모드는 유사하며, 엔진룸 사용조건(𝛥 T=165℃)이 솔더 접합부의 열화를 보다 가속화 시키는 것으로 판단된다.
- 3) 전장제품에서 발생되는 휘스커의 직접적인 고장발생의 위험보다 진동에 의해 2차적으로 휘스커가 파손된 후, 사용 중 진동에 의해 파손된 휘스커가 보드 표면을 이동하며 전기적 단락을 유발할 수 있다. 따라서 전장제품에는 휘스커 성장 및 휘스커 파손에 의한 2차 고장 유발을 억제하기 위해 컨포멀 코팅이 필요할 것으로 판단되며, 이 때 적정한 코팅재의 선정 및 코팅 두께를 최적화 하는 것일 필요할 것으로 사료된다.
- 4) 전장제품의 사용조건은 고온, 고진동 조건에서 장시간 사용됨에 따라 일반 전자제품에서 발견되지 않는 전자부품의 고장이 발생된다. 특히 반도체 부품에 대한 delamination 발생 억제를 위한 MSL 관리 및 MSL Level 강화 방안이 요구될 것으로 판단된다.
- 열충격시험 1,500 cycles 후 칩 저항기, 칩 콘덴서 및 QFP에 대한 접합강도를 측정한 결과 다음 그림 6과 그림 7과 같다. OSP와 ENIG 표면처리 샘플 부품의 솔더 접합부에 대한 접합강도 측정결과, 초기 강도에 비해 칩 콘덴서는 12.6% (OSP), 18.3% (ENIG) 및 16.1% (SnPb)가 감소하였으며 칩 저항은 15.3% (OSP), 3.6% (ENIG) 및 22.3% (SnPb)가 감소하였다. 이 결과로 볼 때, 기존 유연솔더 제품에 비해 OSP와 ENIG 표면처리의 영향은 거의 유사한 것으로 나타났다.
- 솔더 접합부의 열화 및 균열발생에 따른 강도 저하를 가속시키는 인자는 고온고습 조건보다 열충격시험 조건이 보다 가혹한 스트레스를 인가할 수 있는 시험방법이며, 이러한 가속 인자의 차이로 인해 고온고습에서는 강도변화가 크게 나타나지 않는 것으로 사료된다. 그러나 자동차 전장품으로 사용되는 경우, ENIG와 OSP 표면처리 모두 유사한 접합강도 및 열화특성을 나타내는 것으로 나타나, OSP 표면처리에 대한 전장제품의 적용 가능성을 알 수 있었다.
- 그러나 부품별 강도 저하에 대한 변화율의 차이가 발견되었다. 동일한 2012 크기의 칩 부품인 경우, 칩 콘덴서에 비해 칩 저항기의 접합강도가 다소 작게 나타났으며, 변화율의 크기는 칩 콘데서가 큰 것으로 나타났다.
- 부품도금이 무연화 됨에 따라 부품의 단자부위에서 휘스커가 성장되는 것이 관찰되었다. 또한 무연솔더를 적용하면서, 무연솔더의 필렛이 부품 단자부 전체에 젖음이 발생하지 않음에 따라, 부품 도금부위에서 휘스커가 성장하는 것으로 나타났다. 따라서 무연부품을 사용하는 경우, 휘스커에 대한 억제 가능한 도금 상태임을 확인하여야 할 것 으로 판단된다.
- 고온고습시험 후 접합강도 변화에서도 열충격시험 결과와 유사한 경향을 나타내었다. 솔더 접합부의 접합강도는 OSP가 ENIG 보다 높게 나타났으며, 고온고습 2,000 시간 후 칩 콘덴서의 강도 변화율을 보면, OSP가 ENIG 보다 작게 감소하였으며, 칩 저항기에서는 강도변화가 3.7% (OSP)와 0.3% (ENIG)로 나타나 변화율이 거의 유사한 것으로 나타났다. 이것은 전체적으로 열충격시험에서 보다 고온고습시험에서 강도변화가 작게 나타났으며, 또한 칩 저항기가 칩 콘덴서 보다 강도 저하가 작게 나타났다.
- 열충격과 열싸이클 시험의 온도범위는 자동차의 사용환경인 -40~150 ℃, 각 온도에서 유지 시간은 각 10분으로 하여 1 cylce 시간은 25분 이으로 설정 후 각각 1500 싸이클까지 진행하였다19). 실험결과 1,500 cycles 후 모든 시험에서 접합강도의 열화가 급속히 나타나는 것을 알 수 있다. 고19)의 실험에 사용된 무연솔더는 Sn-3.
- 1) 열충격시험 1,500 cycles 후 솔더 접합부의 접합강도는 OSP가 ENIG 표면처리 보다 높게 나타났으며, 고온고습 2,000 h 후 칩 콘덴서의 접합강도 변화율은 OSP가 ENIG 보다 작게 감소하였고, 칩 저항기에서는 변화율이 초기 대비 유사한 것으로 나타났다. 이 결과로 볼 때, SAC305 무연솔더는 자동차 실내 전장품으로 적용 가능할 것으로 사료되며, 이 때 PCB 표면처리는 OSP와 ENIG가 유사한 것으로 나타났다.
- 3% (SnPb)가 감소하였다. 이 결과로 볼 때, 기존 유연솔더 제품에 비해 OSP와 ENIG 표면처리의 영향은 거의 유사한 것으로 나타났다. 일반적으로 ENIG 표면처리가 OSP 보다 우수한 접합 신뢰성을 갖는 것으로 알려져 있으나, 본 연구결과에서 접합강도로 비교하며, 거의 유사한 수준의 강도를 나타내었다.
- 4% 였다. 이 결과로 볼 때, 유연과 ENIG의 균열발생 길이가 유사한 것으로 나타났으며, OSP가 ENIG 보다 50% 정도 균열이 길게 나타났다. 그러나 칩 콘덴서의 경우, 칩 저항기와는 반대의 결과가 나타났다.
- 이 결과로 볼 때, 기존 유연솔더 제품에 비해 OSP와 ENIG 표면처리의 영향은 거의 유사한 것으로 나타났다. 일반적으로 ENIG 표면처리가 OSP 보다 우수한 접합 신뢰성을 갖는 것으로 알려져 있으나, 본 연구결과에서 접합강도로 비교하며, 거의 유사한 수준의 강도를 나타내었다. 동일한 크기의 칩인 경우, 초기 OSP와 ENIG는 각각 61.
후속연구
- 3) 전장제품에서 발생되는 휘스커의 직접적인 고장발생의 위험보다 진동에 의해 2차적으로 휘스커가 파손된 후, 사용 중 진동에 의해 파손된 휘스커가 보드 표면을 이동하며 전기적 단락을 유발할 수 있다. 따라서 전장제품에는 휘스커 성장 및 휘스커 파손에 의한 2차 고장 유발을 억제하기 위해 컨포멀 코팅이 필요할 것으로 판단되며, 이 때 적정한 코팅재의 선정 및 코팅 두께를 최적화 하는 것일 필요할 것으로 사료된다.
- 또한 무연솔더링 공정으로 인해 실장공정의 온도가 상승함에 따라 IC 부품류의 습도 민감도(moisture sensitivity level, MSL)에 대한 검증이 요구된다. 유연솔더링 공정에서는 발견되지 않는 패키지 부품의 박리(delamination)과 같은 고장이 발생함으로, IC 부품에 대한 MSL 관리 및 솔더링 후 박리 검사가 추가적으로 필요할 것으로 사료된다.
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