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문제 정의
- 본 연구에서는 플라즈마 유기막과 OSP표면처리에서 Sn-Ag-Cu 솔더의 접합특성을 비교 평가하였다. 플라즈마 유기막은 OSP보다 높은 증착 균일도를 나타내고, 부식특성 역시 우수한 것을 확인하였다.
제안 방법
- 098 MPa 압력으로 일정하게 시험 시편에 분사하였다. 그 후 광학현미경을 사용하여 염수분무 시험 전 초기 상태와 6시간 및 15시간 염수에 노출된 후 부식 정도를 판단하였다. 표면처리의 멀티리플로우 특성은 솔더의 퍼짐성을 분석하여 평가 하였다.
- 플라즈마 유기막 표면처리는 최근에 도입된 방법이기 때문에 솔더링 특성에 대한 평가가 많이 보고되지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 플라즈마 유기막의 부식특성과 플라즈마 표면처리 위에 솔더링을 실시하였을 때 솔더 퍼짐성, 계면 반응 특성 및 접합특성에 대해 평가하였고, 기존 표면처리법인 OSP와 비교하였다.
- 제작된 PCB 구리 패드 위에 플라즈마 표면처리를 사용하여 할로겐 기반의 유기막을 증착하였으며, 증착된 유기막의 두께는 약 20 nm였다. 또한, 솔더 접합부 특성을 비교평가하기 위하여 OSP로 표면처리 된 PCB를 제작하였다. 솔더링은 표면처리된 PCB 의 구리패드에 직경 450 µm의 Sn-3.
- 퍼짐성은 솔더볼을 구리패드에 마운팅하고, 리플로우를 실시한 후 퍼진 면적을 이미지분석툴로 측정하여 평가하였다. 멀티리플로우에 따른 퍼짐성은 PCB를 여러번 리플로우 한 후 솔더볼을 마운팅하고 다시 리플로우를 실시하여, 솔더의 퍼진 면적을 구하여 평가하였다. 예를 들어, 5회의 멀티 리플로우 특성을 평가할 경우, 한 시간 간격으로 4회까지 리플로우 후 솔더 볼을 실장하여 다시 1회 더 리플로우를 수행하여 퍼짐성을 측정하였다.
- 솔더링은 표면처리된 PCB 의 구리패드에 직경 450 µm의 Sn-3.0 wt%Ag-0.5 wt%Cu (SAC305) 솔더볼을 마운팅한 후 최고온도 251℃에서 리플로우 공정을 수행하였다.
- 전단 조건은 전단 높이가 40 µm이었고 전단속도는 200 µm/sec이었다. 접합부의 계면 미세조직은 scanning electron microscope (SEM, FEI Inspect F)과 transmission electron microscope (TEM, JEOL JEM-4010)을 사용하여 관찰하였다.
- 표면처리의 멀티리플로우 특성은 솔더의 퍼짐성을 분석하여 평가 하였다. 퍼짐성은 솔더볼을 구리패드에 마운팅하고, 리플로우를 실시한 후 퍼진 면적을 이미지분석툴로 측정하여 평가하였다. 멀티리플로우에 따른 퍼짐성은 PCB를 여러번 리플로우 한 후 솔더볼을 마운팅하고 다시 리플로우를 실시하여, 솔더의 퍼진 면적을 구하여 평가하였다.
- 표면처리 위 SAC305의 접합강도는 전단강도시험기 (Dage 4000)를 사용하여 분석하였다. 전단 조건은 전단 높이가 40 µm이었고 전단속도는 200 µm/sec이었다.
- 그 후 광학현미경을 사용하여 염수분무 시험 전 초기 상태와 6시간 및 15시간 염수에 노출된 후 부식 정도를 판단하였다. 표면처리의 멀티리플로우 특성은 솔더의 퍼짐성을 분석하여 평가 하였다. 퍼짐성은 솔더볼을 구리패드에 마운팅하고, 리플로우를 실시한 후 퍼진 면적을 이미지분석툴로 측정하여 평가하였다.
- 플라즈마 유기막 및 OSP 표면처리의 부식특성은 염수분무시험으로 평가하였다. 염수분무 시험 챔버의 온도는 35℃로 유지되었고, 5 wt%의 염수를 0.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 PCB는 FR-4 재질의 Solder Mask Defined(SMD) 타입의 PCB로 Photo imageable Solder Resist(PSR) 두께는 30 µm이었다.
- 8에 나타내었다. 시험 조건에 따라 각 20개 시험시편에 대한 시험을 수행하였다. 멀티리플로우 횟수가 증가하면서 접합강도는 다소 감소하는 경향을 보여주었다.
- 구리 패드의 직경은 400 µm, 두께는 10 µm 였다. 제작된 PCB 구리 패드 위에 플라즈마 표면처리를 사용하여 할로겐 기반의 유기막을 증착하였으며, 증착된 유기막의 두께는 약 20 nm였다. 또한, 솔더 접합부 특성을 비교평가하기 위하여 OSP로 표면처리 된 PCB를 제작하였다.
데이터처리
- 5는 멀티리플로우에 따른 표면처리의 퍼짐성 결과이다. 퍼짐성은 5개의 솔더볼의 퍼진 면적을 멀티리플로우 횟수별로 평균 및 표준편차로 산출하였다. 1회 리플로우 실험에서는 플라즈마 표면처리의 경우 솔더의 퍼진 면적은 0.
성능/효과
- 멀티리플로우 횟수가 증가하면서 접합강도는 다소 감소하는 경향을 보여주었다. 1회 리플로우 시 플라즈마 표면처리는 3.60 kg/mm2 , OSP는 3.63 kg/mm2의 접합강도 특성을 나타내었고, 멀티리플로우 횟수가 증가하여도 두 표면처리 시편의 솔더 접합강도는 매우 유사한 결과를 나타내었다. 솔더의 접합강도는 계면 미세조직에 따라 변화하며, 플라즈마 표면처리와 OSP 모두 유사한 계면 미세조직 및 IMC 두께를 갖고 있어 두 표면처리의 접합강도도 유사한 경향을 보여주는 것으로 판단된다.
- 퍼짐성은 5개의 솔더볼의 퍼진 면적을 멀티리플로우 횟수별로 평균 및 표준편차로 산출하였다. 1회 리플로우 실험에서는 플라즈마 표면처리의 경우 솔더의 퍼진 면적은 0.48 mm2이었고, OSP는 0.36 mm2로써 플라즈마 표면처리가 퍼진 면적이 넓은 것을 알 수 있었다. 멀티리플로우 횟수가 2회에서 3회로 올라가면서, 플라즈마 및 OSP시편 모두 솔더의 퍼짐성이 급격히 낮아지는 경향을 보였다.
- 4) 플라즈마 표면처리는 chemical vapor deposition(CVD)법을 이용해 유기막을 PCB 구리 패드에 증착하는 방법이다.5) 플라즈마 표면처리 유기막을 적용한 PCB(Printed Circuit Board)의 보관기간은 1년 이상으로 OSP 표면처리에 비해 2배 정도 긴 보관시간을 가지고 있다.6) 또한, 습식 표면처리법은 수세, 산세, soft etching, 도금, 건조의 단계를 거치는 동안 다양한 도금액과 약품류를 사용하게 되므로 근본적으로 폐수발생을 피하기 어려웠지만7,8), 플라즈마 표면처리는 이러한 폐수의 발생이 거의 없어 친환경적인 공정방법이다.
- 멀티리플로우에 따른 퍼짐성 시험 결과에서 리플로우 3회 이후 두 가지 표면 처리 모두 퍼짐성이 저하되는 경향을 나타내지만, 플라즈마 표면처리의 퍼짐성이 OSP보다 우수하였다. OSP는 두께가 5 nm 이하로 거의 코팅되지 않는 부분이 있어 이부분에서 부식과 산화가 발생하는 반면, 플라즈마 표면처리의 경우 두께 균일도가 좋아 OSP보다 부식 및 멀티 리플로우 특성이 높았다. 솔더링 후 접합강도와 IMC 두께, 미세조직 모두 플라즈마 표면처리와 OSP가 유사한 결과를 나타내었다.
- 7은 두 표면처리 샘플의 솔더링 후 TEM 단면미세조직을 관찰한 것이다. TEM 미세조직 분석에서 두 표면처리 샘플 모두 수십 nm 크기의 Cu3Sn IMC층이 Cu6Sn5와 Cu 사이에 형성된 것을 확인하였다. 또한, Cu3Sn층의 두께 및 형상도 플라즈마와 OSP 표면처리 샘플 모두 유사함을 알 수 있었다.
- 이것은 멀티리플로우 3회부터 PCB 표면처리층의 열화로 인해 구리패드의 산화가 일어나게 되어 전반적으로 퍼짐성이 저하됨을 보여준다. 낮아진 퍼짐 특성에도 불구하고, 멀티리플로우 3회 이상에서 플라즈마 표면처리가 OSP에 비해 약 0.1 mm2 가량 퍼짐성이 높은 것을 확인할 수 있었다. 퍼짐성 테스트는 솔더의 젖음성을 간접적으로 알 수 있는 평가법이며, 퍼짐성이 감소한 것은 솔더의 젖음성이 멀티리플로우 횟수에 따라 감소함을 보여주는 것이다.
- 퍼짐성 테스트는 솔더의 젖음성을 간접적으로 알 수 있는 평가법이며, 퍼짐성이 감소한 것은 솔더의 젖음성이 멀티리플로우 횟수에 따라 감소함을 보여주는 것이다. 따라서, 플라즈마 표면처리는 멀티리플로우 횟수가 증가하면서 OSP와 마찬가지로 솔더 젖음성이 낮아지지만, OSP에 비해서는 높은 젖음성을 보임을 확인하였다. 이러한 결과는 멀티리플로우 환경에서 플라즈마 유기막 표면처리가 OSP보다 우수한 것을 의미한다.
- TEM 미세조직 분석에서 두 표면처리 샘플 모두 수십 nm 크기의 Cu3Sn IMC층이 Cu6Sn5와 Cu 사이에 형성된 것을 확인하였다. 또한, Cu3Sn층의 두께 및 형상도 플라즈마와 OSP 표면처리 샘플 모두 유사함을 알 수 있었다. 플라즈마 표면처리와 OSP는 유기막이 구리 패드 위에 증착되는 동일한 구조를 갖는다.
- 36 mm2로써 플라즈마 표면처리가 퍼진 면적이 넓은 것을 알 수 있었다. 멀티리플로우 횟수가 2회에서 3회로 올라가면서, 플라즈마 및 OSP시편 모두 솔더의 퍼짐성이 급격히 낮아지는 경향을 보였다. 이것은 멀티리플로우 3회부터 PCB 표면처리층의 열화로 인해 구리패드의 산화가 일어나게 되어 전반적으로 퍼짐성이 저하됨을 보여준다.
- 플라즈마 유기막은 OSP보다 높은 증착 균일도를 나타내고, 부식특성 역시 우수한 것을 확인하였다. 멀티리플로우에 따른 퍼짐성 시험 결과에서 리플로우 3회 이후 두 가지 표면 처리 모두 퍼짐성이 저하되는 경향을 나타내지만, 플라즈마 표면처리의 퍼짐성이 OSP보다 우수하였다. OSP는 두께가 5 nm 이하로 거의 코팅되지 않는 부분이 있어 이부분에서 부식과 산화가 발생하는 반면, 플라즈마 표면처리의 경우 두께 균일도가 좋아 OSP보다 부식 및 멀티 리플로우 특성이 높았다.
- OSP는 두께가 5 nm 이하로 거의 코팅되지 않는 부분이 있어 이부분에서 부식과 산화가 발생하는 반면, 플라즈마 표면처리의 경우 두께 균일도가 좋아 OSP보다 부식 및 멀티 리플로우 특성이 높았다. 솔더링 후 접합강도와 IMC 두께, 미세조직 모두 플라즈마 표면처리와 OSP가 유사한 결과를 나타내었다. 따라서, OSP 대비 플라즈마 유기막 표면처리의 우수한 부식 특성 및 젖음 특성은 솔더링 공정에서 솔더 불량을 낮추고, 부식신뢰성을 높여줄 것으로 기대된다.
- 염수분무 6시간 후에 OSP 표면처리는 부식이 많이 진행된 것과는 다르게 플라즈마 표면처리 시편은 가장자리를 제외한 부분에서 부식이 관찰되지 않았다. 염수분무 테스트가 15시간 지난 후에도플라즈마 표면처리 시편은 패드 외곽 일부에서만 부식이 진행된 것으로 확인되었다. OSP의 경우 Fig.
- 본 연구에서는 플라즈마 유기막과 OSP표면처리에서 Sn-Ag-Cu 솔더의 접합특성을 비교 평가하였다. 플라즈마 유기막은 OSP보다 높은 증착 균일도를 나타내고, 부식특성 역시 우수한 것을 확인하였다. 멀티리플로우에 따른 퍼짐성 시험 결과에서 리플로우 3회 이후 두 가지 표면 처리 모두 퍼짐성이 저하되는 경향을 나타내지만, 플라즈마 표면처리의 퍼짐성이 OSP보다 우수하였다.
후속연구
- 솔더링 후 접합강도와 IMC 두께, 미세조직 모두 플라즈마 표면처리와 OSP가 유사한 결과를 나타내었다. 따라서, OSP 대비 플라즈마 유기막 표면처리의 우수한 부식 특성 및 젖음 특성은 솔더링 공정에서 솔더 불량을 낮추고, 부식신뢰성을 높여줄 것으로 기대된다.
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