[논문]열압착 접합 조건에 따른 경·연성 인쇄회로기판 간 Sn-58Bi 무연솔더 접합부의 기계적 특성

최지나; 고민관; 이상민; 정승부

doi:10.6117/kmeps.2013.20.2.017

초록
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본 연구에서는 Sn-58Bi 솔더를 이용한 경성 인쇄 회로 기판 (Rigid printed circuit board, RPCB)과 연성 인쇄회로 기판 (Flexible printed circuit board, FPCB) 간의 열압착 접합 시, 접합 조건에 따른 기계적 특성에 대하여 연구하였다. 접합 온도와 접합 시간을 변수로 열압착 접합을 실시하여 $90^{\circ}$ 필 테스트(Peel test)를 통해 접합 강도를 측정하고, 단면과 파단면을 관찰하였다. 접합 온도가 증가할수록 접합 강도가 증가하였으며, 접합 시간에 따른 접합 강도의 변화 또한 관찰할 수 있었다. 접합 시간이 증가하면서 접합부의 파괴에 영향을 미치는 요인이 솔더 층에서 금속간 화합물(Intermetallic compound, IMC) 층으로 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. 필 테스트 과정의 F-x(Force-distance) curve를 통해 파괴 에너지를 계산하여 금속간 화합물이 접합 강도에 미치는 영향을 평가하였으며, 본 연구에서 $195^{\circ}C$, 7초 조건이 접합 강도와 파괴 에너지가 가장 높게 나타나는 최적 접합 조건으로 도출되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We investigated the optimum bonding conditions for thermo-compression bonding of electrodes between flexible printed circuit board(FPCB) and rigid printed circuit board(RPCB) with Sn-58Bi solder as interlayer. In order to figure out the optimum bonding conditions, peel test of FPCB/RPCB joint was co...

We investigated the optimum bonding conditions for thermo-compression bonding of electrodes between flexible printed circuit board(FPCB) and rigid printed circuit board(RPCB) with Sn-58Bi solder as interlayer. In order to figure out the optimum bonding conditions, peel test of FPCB/RPCB joint was conducted. The peel strength was affected by the bonding conditions, such as temperature and time. The fracture energies were calculated through F-x (Force-displacement) curve during peel test and the relationships between bonding conditions and fracture behaviors were investigated. The optimum condition for the thermo-compression bonding with Sn-58Bi solder was found to be temperature of $195^{\circ}C$ and time of 7 s.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 열압착 접합 공정의 접합 조건에 따른 Sn-58Bi 솔더 접합부의 접합 강도(peel strength)를 측정하고, 금속간 화합물의 성장을 관찰하여 가장 우수한 기계적 특성을 보이는 최적 접합 조건을 도출하였다.

제안 방법

본 연구에서는 Sn-58Bi 솔더를 이용하여 FPCB에 솔더 층을 형성한 후, RPCB와 열압착 접합을 시행한 후, 접합 시간과 온도에 따른 접합 강도와 파괴 에너지를 측정하고, 미세구조를 관찰함으로써 최적 접합 조건을 연구하였다.
8 mm/min로 90˚ 필 테스트(peel test)를 실시하여 접합 강도를 측정하였고, F-x(Force-displacement) curve를 통해 파괴 에너지(fracture energy)를 산출하여 각 접합 인자가 접합 강도에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다. 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM, S-3000H, Hitachi, Japan)을 이용하여 접합부의 단면과 필 테스트 후 파단면의 미세 구조를 관찰하였고, EDS(energy-dispersive X-ray spectroscopy, 7021-H Horiba, Japan) 분석을 통하여 접합부의 IMC 생성을 확인하였다.

대상 데이터

본 실험에서 RPCB는 FR-4 기판을 사용하였으며, FPCB는 polyimide(PI) 기판을 사용하였다. PCB의 전극부는 기판당 피치 500 µm, 선폭 250 µm, 길이 3.

데이터처리

17 MPa로 고정하였고, 열압착 접합에 적용된 접합 조건은 Table 2에 명시하였다. 각각 다른 접합 조건으로 접합된 시편은 IPC-TM-650 규격에 따라 속도 50.8 mm/min로 90˚ 필 테스트(peel test)를 실시하여 접합 강도를 측정하였고, F-x(Force-displacement) curve를 통해 파괴 에너지(fracture energy)를 산출하여 각 접합 인자가 접합 강도에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다. 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM, S-3000H, Hitachi, Japan)을 이용하여 접합부의 단면과 필 테스트 후 파단면의 미세 구조를 관찰하였고, EDS(energy-dispersive X-ray spectroscopy, 7021-H Horiba, Japan) 분석을 통하여 접합부의 IMC 생성을 확인하였다.

이론/모형

0 mm의 Cu 전극 24개로 이루어져 있으며, 데이지 체인 구조로 되어 있다. 모든 RPCB와 FPCB의 전극은 electroless nickelelctroless palladium-immersion gold (ENEPIG) 표면처리를 실시하였다. 기판의 조건을 Table 1에 정리하였다.

성능/효과

195℃에서 접합 시간 7초의 조건에서 접합된 경우, 접합 시간 4초의 조건에서 접합된 경우보다 충분한솔더의 용융이 일어나면서 솔더 내의 결함이 제거되면서 접합 강도가 증가한 것으로 사료되며. F-x curve의 소성 변형 구간을 통해 솔더 내의 결함을 간접적으로 평가할 수 있었다.
195℃에서 접합 시간 7초의 조건에서 접합된 경우, 접합 시간 4초의 조건에서 접합된 경우보다 충분한솔더의 용융이 일어나면서 솔더 내의 결함이 제거되면서 접합 강도가 증가한 것으로 사료되며. F-x curve의 소성 변형 구간을 통해 솔더 내의 결함을 간접적으로 평가할 수 있었다. 그러나 접합 시간 10초 이상의 조건에서 접합된 경우, 솔더가 접합부 하단으로 퍼지면서 금속간 화합물 층의 비율이 증가하는 것을 관찰할 수 있었고, 이러한 금속간 화합물 층의 영향으로 취성 파괴가 일어난 것을 확인할 수 있었다.
Sn-58Bi 솔더의 접합 특성은 접합 온도, 접합 시간 등 접합 조건의 영향을 더 크게 받는 것으로 나타났다. 접합 온도가 증가함에 따라 접합 조건이 증가하는 것을 관찰할 수 있었고, 195℃의 접합 조건에서 가장 높은 접합 강도를 관찰할 수 있었다, 195℃에서 접합 시간 7초의 조건으로 접합하였을 때 가장 높은 접합 강도를 보였으며 접합 시간 10, 13초간 접합을 하였을 때는 접합 강도가 떨어지는 것을 확인하였다.
F-x curve의 소성 변형 구간을 통해 솔더 내의 결함을 간접적으로 평가할 수 있었다. 그러나 접합 시간 10초 이상의 조건에서 접합된 경우, 솔더가 접합부 하단으로 퍼지면서 금속간 화합물 층의 비율이 증가하는 것을 관찰할 수 있었고, 이러한 금속간 화합물 층의 영향으로 취성 파괴가 일어난 것을 확인할 수 있었다.
무연 솔더를 이용한 열압착 접합은 속도가 빠르고, 대량생산이 가능하며, 유해 물질을 배출하지 않는 공정으로 고생산성과 친환경성을 요구하는 분야에서 수요를 충족시킬 것으로 예상된다. 아울러 Sn-58Bi 솔더의 낮은 용융점이 큰 장점으로 작용할 것으로 보인다. 그러나 다른 무연 솔더를 이용하였을 때보다 다소 낮은 접합 강도를 보이므로 향후 기계적 특성과 신뢰성에 관한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
Sn-58Bi 솔더의 접합 특성은 접합 온도, 접합 시간 등 접합 조건의 영향을 더 크게 받는 것으로 나타났다. 접합 온도가 증가함에 따라 접합 조건이 증가하는 것을 관찰할 수 있었고, 195℃의 접합 조건에서 가장 높은 접합 강도를 관찰할 수 있었다, 195℃에서 접합 시간 7초의 조건으로 접합하였을 때 가장 높은 접합 강도를 보였으며 접합 시간 10, 13초간 접합을 하였을 때는 접합 강도가 떨어지는 것을 확인하였다.

후속연구

아울러 Sn-58Bi 솔더의 낮은 용융점이 큰 장점으로 작용할 것으로 보인다. 그러나 다른 무연 솔더를 이용하였을 때보다 다소 낮은 접합 강도를 보이므로 향후 기계적 특성과 신뢰성에 관한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
무연 솔더를 이용한 열압착 접합은 속도가 빠르고, 대량생산이 가능하며, 유해 물질을 배출하지 않는 공정으로 고생산성과 친환경성을 요구하는 분야에서 수요를 충족시킬 것으로 예상된다. 아울러 Sn-58Bi 솔더의 낮은 용융점이 큰 장점으로 작용할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Adhesive를 이용한 접합의 단점은?	Connector 체결법은 완성품의 부피가 크며 자동화 공정이 어렵고, 제한적인 I/O(Input/Output) 개수로 인하여 신호전달에 취약하다. Adhesive를 이용한 접합은 adhesive 재료의 가격이 고가이고, 전기 전도도 및 환경 신뢰성이 상대 적으로 낮다. 또한 초음파를 이용한 접합방법은 접합공정이 간단하고, 접합 시간이 짧은 장점이 있지만 접합부의 환경 신뢰성에 대한 data가 부족하다.
	Connector 체결법의 단점은?	RPCB와 FPCB의 접합에는 connector를 이용한 체결법, adhesive film을 이용한 접합법, 초음파 접합법 등이 주로 연구되어 왔다. Connector 체결법은 완성품의 부피가 크며 자동화 공정이 어렵고, 제한적인 I/O(Input/Output) 개수로 인하여 신호전달에 취약하다. Adhesive를 이용한 접합은 adhesive 재료의 가격이 고가이고, 전기 전도도 및 환경 신뢰성이 상대 적으로 낮다.
	Sn-58Bi 솔더의 접합 시간과 온도에 따라 강도는 어떻게 되는가?	Sn-58Bi 솔더의 접합 특성은 접합 온도, 접합 시간 등 접합 조건의 영향을 더 크게 받는 것으로 나타났다. 접합 온도가 증가함에 따라 접합 조건이 증가하는 것을 관찰할 수 있었고, 195o C의 접합 조건에서 가장 높은 접합 강도를 관찰할 수 있었다, 195o C에서 접합 시간 7초의 조건으로 접합하였을 때 가장 높은 접합 강도를 보였으며 접합 시간 10, 13초간 접합을 하였을 때는 접합 강도가 떨어지는 것을 확인하였다.

참고문헌 (8)

J. H. Choi, J. G. Lee, J. W. Yoon and S. B. Jung, "Thermocompression Bonding of Electrodes between RPCB and FPCB using Sn-Pb Solder (in Korean)", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(3), 11 (2010)
J. G. Lee, M. K. Ko, J. B. Lee, B. I. Noh, J. W. Yoon and S, B. Jung, "Effects of Bonding conditions on Joint Property between FPCB and RPCB using Thermo-compression Bonding Method (in Korean)", J. Microelectron. Packag. Soc., 18(2), 63 (2011)
J. W. Yoon, J. K. Jang, J. H. Choi, J. G. Lee, J. B. Lee, B. I. Noh and S. B. Jung, "Thermo-compression Bonding of Electrodes between FPCB and RPCB", 12th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC), Singapore, 811, IEEE Components(2010)
J. W. Yoon, J. G. Lee, J. B. Lee, B. I. Noh and S. B. Jung, "Thermo-compression bonding of electrodes between FPCB and RPCB by using Pb-free solders", J Mater Sci: Mater Electron, 23, 41 (2012)

상세보기
H. P. Shin, B. W. Ahn, J. H. Ahn, J. G. Lee, K. S. Kim, D. H. Kim and S. B. Jung, "Interfacial Reaction and Joint Strength of the Sn-58Bi Solder Paste with ENIG Surface Finished Substrate (in Korean)", Journal of KWJS, 30(5), 458 (2012)

원문보기 상세보기
K. Suganuma, "Advances in lead-free electronics soldering", Current Opinion in Solid State and Materials Science, 5, 55 (2001)

상세보기
K. O. Lee and J. Yu, "Effects of Surface Finishes on the Low Cycle Fatigue Characteristics of Sn-based Pb-free Solder Joints (in Korean)", J. Microelectron. Packag. Soc., 10(3), 19 (2003)
"Lead-Free Alloy Trends for the Assembly of Mixed Tech-nology PWBs", Proc. NEPCON-West 2000, Anaheim, CA, (2000)

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