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문제 정의
- 정도에 해당한다. 따라서 본 연구에서는 100℃에서 열 시효 처리한 직경 0.76 mm의 초소형 무연 단일 솔더 볼 접합부에 대하여 열시효 시간을 24시간부터 1000시간까지 증가시키면서 IMC의 두께를 변화시켜 1000 s-1의 고속에서 접합부의 전단강도를 평가하고자 한다. 이를 통하여 무연 솔더 연결부의 고속 전단강도에 있어서 열시효의 영향을 분석하였다.
제안 방법
- 단일 솔더 볼에 대하여 고속전단 시험을 실시하였다. 변위 속도 v를 변화시키며 변위 속도에 따른 전단강도의 변화를 측정하였다.
- 5 m/s에서 수행한 전단 시험의 전단강도와 변형률 속도와의 관계이다. 동일한 시험편에 대하여 열시효 처리를 하지 않은 (as-reflowed) 솔더 연결부의 고속에서의 전단강도에 대한 결과7)를 비교를 위하여 그래프에 추가하였다. 그래프를 통하여 하중 속도가 증가하면서 전단강도가 감소함을 알 수 있다.
- 2(a)와 같이 직경 10 mm, 높이 7 mm의 2개의 모래시계(glass hour)형상의 구리홀더 사이에 솔더볼을 접합하여 시험편을 사용하였다. 두개의 구리 홀더 중간에 솔더 볼을 올려 놓은 상태에서 전기로에서 온도 260℃로 가열하여 리플로우(reflow)를 하였다. 시효처리를 위하여 솔더링한 후에 시험편을 전기로에 100℃에서 24, 100, 250, 1000시간 동안 가열하였다.
- 1과 같이 자유낙하에 의한 운동 에너지를 발생시키는 진자 햄머, 시험편에 직선방향으로 하중을 전달하는 가격자로 구성하였다. 또한 시험편을 고정하고 지지하는 그립 및 스테이지, 작용 하중을 측정하는 충격 센서, 고속하중속도를 측정하는 시스템 등으로 구성하였다. 상세한 작동원리와 측정방법은 이전의 솔더 연결부의 충격 강도에 관한 연구4)와 동일하다.
- 시효처리한 시험편의 단면을 관찰하기 위하여 구리/솔더 경계면에 직각방향으로 절단된 시험편의 단면의 미세조직을 광학현미경을 이용하여 관찰하였다. 또한 주사형 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 파단된 파면을 관찰하였다. 한편, 전단 시험은 온도 23℃에서 실시하였다.
- 단일 솔더 볼에 대하여 고속전단 시험을 실시하였다. 변위 속도 v를 변화시키며 변위 속도에 따른 전단강도의 변화를 측정하였다. Fig.
- 본 연구에서는 100℃에서 24, 100, 250 1000 시간동안 열시효 처리한 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와 구리로 접합된 단일 솔더 볼 접합부의 고속전단 강도를 평가하였다. 하중속도는 0.
- 두개의 구리 홀더 중간에 솔더 볼을 올려 놓은 상태에서 전기로에서 온도 260℃로 가열하여 리플로우(reflow)를 하였다. 시효처리를 위하여 솔더링한 후에 시험편을 전기로에 100℃에서 24, 100, 250, 1000시간 동안 가열하였다.
- 시효처리한 시험편의 단면을 관찰하기 위하여 구리/솔더 경계면에 직각방향으로 절단된 시험편의 단면의 미세조직을 광학현미경을 이용하여 관찰하였다. 또한 주사형 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 파단된 파면을 관찰하였다.
- 6과 같이 파단면에 기공이 내재됨을 확인하였다. 이러한 기공을 균열로 가정하여 기공이 내재된 금속간화합물의 모드II에서의 파괴인성치를 평가하였다. 파괴인성치는 다음과 같이 표현이 가능하다.
- 76 mm의 초소형 무연 단일 솔더 볼 접합부에 대하여 열시효 시간을 24시간부터 1000시간까지 증가시키면서 IMC의 두께를 변화시켜 1000 s-1의 고속에서 접합부의 전단강도를 평가하고자 한다. 이를 통하여 무연 솔더 연결부의 고속 전단강도에 있어서 열시효의 영향을 분석하였다.
대상 데이터
- 시험기 구성은 Fig. 1과 같이 자유낙하에 의한 운동 에너지를 발생시키는 진자 햄머, 시험편에 직선방향으로 하중을 전달하는 가격자로 구성하였다. 또한 시험편을 고정하고 지지하는 그립 및 스테이지, 작용 하중을 측정하는 충격 센서, 고속하중속도를 측정하는 시스템 등으로 구성하였다.
- 5 Cu 솔더 볼을 사용하였다. 시험편은 Fig. 2(a)와 같이 직경 10 mm, 높이 7 mm의 2개의 모래시계(glass hour)형상의 구리홀더 사이에 솔더볼을 접합하여 시험편을 사용하였다. 두개의 구리 홀더 중간에 솔더 볼을 올려 놓은 상태에서 전기로에서 온도 260℃로 가열하여 리플로우(reflow)를 하였다.
- 전단시험에 사용한 시험편은 직경 760 μm의 Sn-3Ag-0.5 Cu 솔더 볼을 사용하였다.
성능/효과
- 특히 IMC 결정립은 시효처리 시간이 증가하면서 조대해짐을 알 수 있다. 사진을 통하여 벽개파단(cleavage fracture)면에서 적은 양의 잔류 솔더를 확인하였으며 시효 시간이 길어지면서 잔류 솔더의 양이 감소함을 확인하였다. 이는 고속하중에서 시효처리된 솔더 접합부의 전단강도는 IMC에 의하여 주도됨을 암시한다.
- 실험 하중 속도 구간에서는 하중 속도가 증가하면서 그리고 시효 시간이 길어지면서 전단강도가 감소하였다. 시험 하중 속도 구간에서 강도는 평균적으로 약 43% 정도 감소하였다. 또한 경계면에서의 IMC의 모드 II에서의 파괴인성치는 변형률 속도가 증가하면서 감소하였다.
- 즉 솔더 연결부의 전단강도는 시효처리를 하지 않은 시험편에 비하여 각각 10%, 16%, 23%, 26% 감소하였다. 시험구간에서 변형률이 증가하면서 전단강도가 평균적으로 약 43% 감소하였다.
- 5m/s로 실험하였다. 실험 하중 속도 구간에서는 하중 속도가 증가하면서 그리고 시효 시간이 길어지면서 전단강도가 감소하였다. 시험 하중 속도 구간에서 강도는 평균적으로 약 43% 정도 감소하였다.
- 5 x 103/s 구간에서 각각 225∼124 MPa, 189∼107 MPa, 180∼105 MPa이다. 즉 솔더 연결부의 전단강도는 시효처리를 하지 않은 시험편에 비하여 각각 10%, 16%, 23%, 26% 감소하였다. 시험구간에서 변형률이 증가하면서 전단강도가 평균적으로 약 43% 감소하였다.
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