첨단 전자기기에 사용되는 전자부품의 크기와 접속피치가 감소하면서 리플로우 공정 후 플럭스 잔사의 세정이 어려워짐에 따라 무세정 솔더 페이스트에 대한 요구가 증가하고 있다. 본 연구에서는 SAC305 솔더분말과 에폭시 레진을 주성분으로 하는 경화성 플럭스를 혼합하여 제조한 에폭시 경화형 솔더 페이스트에 대하여 리플로우 공정성, 플럭스 잔사의 부식성, 솔더볼 및 보드레벨 BGA 패키지 솔더 접합부의 기계적 거동을 기존 로진계 솔더 페이스트와 비교하여 평가하였다. 에폭시 경화형 솔더 페이스트는 솔더 접합부 주변에 경화물 필렛을 형성한 것으로 보아 플럭싱 작용에 의해 솔더 접합부가 형성된 이후에 경화반응이 진행되는 것을 확인할 수 있었으며, 동판에 대한 젖음성 시험을 통해 기존상용 솔더 페이스트 정도의 납퍼짐성을 갖는 것을 알 수 있었다. 리플로우 후 동판에 대한 고온 고습 시험을 통해 에폭시 경화형 솔더 페이스트는 동판 부식을 전혀 발생시키지 않는 것으로 나타났는데, 이는 FT-IR 분석결과 에폭시 경화반응을 통해 단단히 고정된 결과로 생각되었다. 볼전단, 볼당김 및 다이전단 시험 결과, 솔더 접합부 주변에 형성된 경화물 필렛은 솔더 표면과 접착본딩을 형성하며, 다이전단강도를 15~40% 정도 향상시키는 것으로 보아 에폭시 경화형 솔더 페이스트는 플럭스 잔사 세정공정의 생략과 함께 솔더 접합부 보강효과를 통해 패키지 신뢰성 향상에도 기여할 수 있을 것으로 생각되었다.
첨단 전자기기에 사용되는 전자부품의 크기와 접속피치가 감소하면서 리플로우 공정 후 플럭스 잔사의 세정이 어려워짐에 따라 무세정 솔더 페이스트에 대한 요구가 증가하고 있다. 본 연구에서는 SAC305 솔더분말과 에폭시 레진을 주성분으로 하는 경화성 플럭스를 혼합하여 제조한 에폭시 경화형 솔더 페이스트에 대하여 리플로우 공정성, 플럭스 잔사의 부식성, 솔더볼 및 보드레벨 BGA 패키지 솔더 접합부의 기계적 거동을 기존 로진계 솔더 페이스트와 비교하여 평가하였다. 에폭시 경화형 솔더 페이스트는 솔더 접합부 주변에 경화물 필렛을 형성한 것으로 보아 플럭싱 작용에 의해 솔더 접합부가 형성된 이후에 경화반응이 진행되는 것을 확인할 수 있었으며, 동판에 대한 젖음성 시험을 통해 기존상용 솔더 페이스트 정도의 납퍼짐성을 갖는 것을 알 수 있었다. 리플로우 후 동판에 대한 고온 고습 시험을 통해 에폭시 경화형 솔더 페이스트는 동판 부식을 전혀 발생시키지 않는 것으로 나타났는데, 이는 FT-IR 분석결과 에폭시 경화반응을 통해 단단히 고정된 결과로 생각되었다. 볼전단, 볼당김 및 다이전단 시험 결과, 솔더 접합부 주변에 형성된 경화물 필렛은 솔더 표면과 접착본딩을 형성하며, 다이전단강도를 15~40% 정도 향상시키는 것으로 보아 에폭시 경화형 솔더 페이스트는 플럭스 잔사 세정공정의 생략과 함께 솔더 접합부 보강효과를 통해 패키지 신뢰성 향상에도 기여할 수 있을 것으로 생각되었다.
With difficulties during the cleaning of reflow flux residues due to the decrease of the part size and interconnection pitch in the advanced electronic devices, the need for the no-clean solder paste is increasing. In this study, an epoxy curable solder paste was made with SAC305 solder powder and t...
With difficulties during the cleaning of reflow flux residues due to the decrease of the part size and interconnection pitch in the advanced electronic devices, the need for the no-clean solder paste is increasing. In this study, an epoxy curable solder paste was made with SAC305 solder powder and the curable flux of which the main ingredient is epoxy resin and its reflow solderability, flux residue corrosivity and solder joint mechanical properties was investigated with comparison to the commercial rosin type solder paste. The fillet shape of the cured product around the reflowed solder joint revealed that the curing reaction occurred following the fluxing reaction and solder joint formation. The copper plate solderability test result also revealed that the wettability of the epoxy curable solder paste was comparable to those of the commercial rosin type solder pastes. In the highly accelerated temperature and humidity test, the cured product residue of the curable solder paste showed no corrosion of copper plate. From FT-IR analysis, it was considered to be resulted from the formation of tight bond through epoxy curing reaction. Ball shear, ball pull and die shear tests revealed that the adhesive bonding was formed with the solder surface and the increase of die shear strength of about 15~40% was achieved. It was considered that the epoxy curable solder paste could contribute to the improvement of the package reliability as well as the removal of the flux residue cleaning process.
With difficulties during the cleaning of reflow flux residues due to the decrease of the part size and interconnection pitch in the advanced electronic devices, the need for the no-clean solder paste is increasing. In this study, an epoxy curable solder paste was made with SAC305 solder powder and the curable flux of which the main ingredient is epoxy resin and its reflow solderability, flux residue corrosivity and solder joint mechanical properties was investigated with comparison to the commercial rosin type solder paste. The fillet shape of the cured product around the reflowed solder joint revealed that the curing reaction occurred following the fluxing reaction and solder joint formation. The copper plate solderability test result also revealed that the wettability of the epoxy curable solder paste was comparable to those of the commercial rosin type solder pastes. In the highly accelerated temperature and humidity test, the cured product residue of the curable solder paste showed no corrosion of copper plate. From FT-IR analysis, it was considered to be resulted from the formation of tight bond through epoxy curing reaction. Ball shear, ball pull and die shear tests revealed that the adhesive bonding was formed with the solder surface and the increase of die shear strength of about 15~40% was achieved. It was considered that the epoxy curable solder paste could contribute to the improvement of the package reliability as well as the removal of the flux residue cleaning process.
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문제 정의
본 연구에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305) 솔더분말과 에폭시 레진을 주성분으로 하는 경화성 플럭스를 혼합하여 제조한 에폭시 경화형 솔더 페이스트에 대하여 리플로우 공정성, 플럭스 잔사의 부식성, 솔더볼 접합부 및 보드레벨 BGA 패키지 접합부의 기계적 거동을 기존 로진계 솔더 페이스트와 비교하여 평가하고자 하였다.
제안 방법
JIS-Z 3197 플럭스 평가 규격에 따라 50 × 50 × 0.3mm 구리 플레이트에 솔더 페이스트를 0.3 g 정도 떨어뜨린 후 250℃에서 5초간 가열하여 제작한 시편을 40℃, 95% RH 조건에서 96시간 방치한 후 육안으로 부식의 발생여부를 관찰하였다.
경화물 필렛과 솔더표면의 접착본딩 형성 여부를 평가하기 위해 하중이 기판에 수직으로 작용하는 볼 당김 시험을 당김시험용 jaw를 장착한 Dage 4000을 이용하여 수행하였다.4,5) 시편치수와 시험의 개략도를 Fig.
기판의 두께와 면적은 각각 1mm, 132 × 31 mm이었으며, 패드는 NSMD(non solder mask defined) 타입으로 OSP로 처리하였다.
당김시험 속도와 높이를 각각 1000 μm/s와 50 μm로 고정하고 물림하중을 100 g으로 설정하여 시험을 수행하였다.
리플로우 공정성 평가를 위해 상용 리플로우 공정으로 제작된 보드레벨 BGA 패키지에 대하여 단면 광학 관찰을 통해 솔더 접합부 및 필렛 형상을 확인하였고, 160 kV X-선 투과검사를 통해 솔더볼 잔사를 관찰하였다.
에폭시 경화형 솔더 페이스트와 기존 로진계 솔더 페이스트의 리플로우 공정성과 다이전단강도를 평가하기 위해 Fig. 1에 나타낸 4가지 솔더 접합부 형태의 보드레벨 BGA 패키지를 제작하였다.
에폭시 경화형 솔더 페이스트의 납퍼짐성을 평가하기 위해 50 × 50 × 0.3mm 구리 플레이트를 150oC에서 한 시간 동안 산화시킨 시편에 솔더 페이스트를 떨어뜨린 후 리플로우하여 형성된 솔더의 접촉각을 측정하여 납퍼짐성을 계산하였다.
에폭시 경화형 솔더 페이스트의 리플로우 후 경화물 잔사의 부식거동을 평가하기 위해 부식성 시험을 실시하였다. JIS-Z 3197 플럭스 평가 규격에 따라 50 × 50 × 0.
에폭시 경화형 솔더 페이스트의 리플로우 후 형성된 경화물 필렛이 솔더 접합부 강도에 미치는 효과를 조사하기 위해 Dage 4000을 이용하여 볼 전단강도를 측정하였다.3,4) 시험은 JESD22-B117 규격5)을 참조하여 200 μm/s 전단속도로 진행하였으며,6) 시편치수 및 시험조건을 Fig.
에폭시 경화형 솔더 페이스트의 부식방지 거동을 확인하기 위하여 FT-IR 스펙트럼을 분석하여 에폭시에 의한 플럭스 반응기 소실 여부를 확인하였다.
에폭시 경화형 솔더페이스트의 적용이 다이전단강도에 미치는 효과를 평가하기 위해 Fig. 1에 나타낸 4종의 보드 레벨 BGA 패키지에 대하여 Dage 4000을 이용하여 전단속도 200μm/s, 전단높이 50μm로 다이전단시험을 수행하였다.
플럭스 잔사 세정공정을 완전히 생략할 수 있는 방안으로는 에폭시의 경화기구를 활용하여 리플로우 공정이 완료된 다음 플럭스 성분을 단단히 고정하는 방법을 생각할수 있다. 즉, 에폭시 레진을 비이클로 사용하고, 플럭스 기능과 경화제 기능을 동시에 나타내는 플럭스제를 도입함으로써 리플로우 공정 중 승온 시에는 플럭싱 작용을 하고 용융온도에서는 가교결합을 일으켜 고정되도록 하는 것이다.
대상 데이터
에폭시 경화형 솔더 페이스트 제조에는 덕산하이메탈㈜ 에서 제공받은 type-4 SAC305 솔더분말이 사용되었다. 경화성 플럭스 제조에는 국도화학㈜의 비스페놀A 계열 에폭시인 YD-128 레진을 기본으로 하여 플럭스 작용과 경화제 작용을 겸하여 나타내는 아민계열 플럭스제를 사용하였다. 혼합 과정에서는 레진 내에 솔더분말을 고르게 분산시키기 위해 대화테크㈜의 PDM-300D 공자전 믹서를 사용하였다.
의 1809MARKIII을 사용하였다. 리플로우 온도프로파일은 Fig. 2에 나타낸 기존 로진계 SAC305 솔더 페이스트에서 사용되는 상용 리플로우 프로파일을 동일하게 사용하였다.
보드레벨 BGA 패키지 제작에 사용된 BGA 칩은 0.8 mm 피치, 8 × 8 mm 면적의 BGA 패키지를 ㈜어셈텍으로부터 제공받았다.
보드레벨 BGA 패키지 제작에 사용된 기판은 FR-4 PCB로 이오에스㈜로부터 제공받았다. 기판의 두께와 면적은 각각 1mm, 132 × 31 mm이었으며, 패드는 NSMD(non solder mask defined) 타입으로 OSP로 처리하였다.
에폭시 경화형 솔더 페이스트 제조에는 덕산하이메탈㈜ 에서 제공받은 type-4 SAC305 솔더분말이 사용되었다. 경화성 플럭스 제조에는 국도화학㈜의 비스페놀A 계열 에폭시인 YD-128 레진을 기본으로 하여 플럭스 작용과 경화제 작용을 겸하여 나타내는 아민계열 플럭스제를 사용하였다.
의 MK-878SV 모델을 이용하여 상용 100 μm 두께로 시행하였으며, 리플로우 오븐은 HELLA KGaA Hueck & Co.의 1809MARKIII을 사용하였다. 리플로우 온도프로파일은 Fig.
접속부를 형성할 솔더 볼은 덕산하이메탈㈜ 에서 제공받은 450μm크기의 SAC305 조성을 사용하였다.
특성 비교를 위한 기존 로진계 솔더 페이스트로는 동일하게 type-4 SAC305 솔더분말을 함유하는 S사의 할로겐 프리 제품을 사용하였으며 언더필 재료로는 ㈜하이텍코리아의 UNIQUE-305B 모델을 사용하였다.
성능/효과
1) 로진의 대표적 성분인 아비에트산은 카복실기를 갖는 화합물로, 174℃의 녹는점과 250℃의 끓는점을 가져 리플로우 온도 프로파일에서 효과적인 플럭스로 작용한다.
기존 솔더 페이스트와 에폭시 경화형 솔더 페이스트의 젖음 각은 각각 24.55°와 29.39°로 기존 솔더 페이스트가 보다 작은 젖음각을 나타내었다.
리플로우 후 동판에 대한 고온 고습 노출시험 결과, 기존 로진계 솔더 페이스트의 경우 플럭스 잔사에 의해 동판 부식이 발생된 반면에 에폭시 경화형 솔더 페이스트의 경우에는 부식이 전혀 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었는데, 이는 FT-IR 분석결과 에폭시 경화반응에 의해 플럭스 성분이 단단히 고정된 결과로 생각된다.
에폭시 경화형 솔더 페이스트를 사용하여 어태치된 솔더볼에 대한 볼전단 시험결과 경화물 필렛은 전단강도를 향상시키는 효과가 있는 것으로 나타났으며, 볼 당김 시험에서 당김하중이 증가된 것으로 보아 솔더표면과 접착본딩을 형성한 것을 확인할 수 있었다. 에폭시 경화형 솔더 페이스트를 적용한 경우 다이전단강도가 15~40% 정도 향상되는 것으로 보아 에폭시 경화형 솔더 페이스트는 플럭스 잔사 세정공정의 생략과 함께 솔더 접합부 보강효과를 통해 패키지 신뢰성 향상에도 기여할 수 있을 것으로 생각되었다.
에폭시 경화형 솔더 페이스트를 사용하여 어태치된 솔더볼에 대한 볼전단 시험결과 경화물 필렛은 전단강도를 향상시키는 효과가 있는 것으로 나타났으며, 볼 당김 시험에서 당김하중이 증가된 것으로 보아 솔더표면과 접착본딩을 형성한 것을 확인할 수 있었다. 에폭시 경화형 솔더 페이스트를 적용한 경우 다이전단강도가 15~40% 정도 향상되는 것으로 보아 에폭시 경화형 솔더 페이스트는 플럭스 잔사 세정공정의 생략과 함께 솔더 접합부 보강효과를 통해 패키지 신뢰성 향상에도 기여할 수 있을 것으로 생각되었다.
9에 나타내었다. 에폭시 경화형 페이스트의 볼 전단 강도 및 볼 당김 강도는 기존 솔더 페이스트에 비해 각각 15%, 17% 높은 것을 볼 수 있다.
에폭시 레진을 주성분으로 하는 경화성 플럭스를 사용하여 제조한 에폭시 경화형 솔더 페이스트에 대한 리플로우 공정성 시험결과, 보드레벨 BGA 솔더볼 주변에 경화물 필렛이 형성된 것으로 보아 플럭싱 작용에 의해 솔더 접합부가 형성된 이후에 경화반응이 진행된 것을 확인할 수 있었으며, 동판에 대한 젖음성 시험을 통해 기존 상용 솔더 페이스트 정도의 납퍼짐성을 갖는 것을 알 수 있었다.
8에 나타내었다. 측정된 FT-IR 스펙트럼을 보면 에폭시 고리(912 cm-1)의 피크가 시간이 지남에 따라 감소되는 것으로 보아 에폭시 경화반응이 진행된 것을 알 수 있다.9,10) 이는 에폭시 레진과 경화제 겸 플럭스제인 아민이 결합을 형성하여 경화물을 형성함을 의미하는 것으로, 금속산화물 환원반응에 참여하지 않고 잔류하는 아민계 플럭스제는 이러한 경화반응을 통해 경화물 내에 단단히 고정됨으로써 용출이 억제되어 장기간 신뢰성 확보가 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
5% 증가되었음을 알 수 있다. 이것으로 보아 에폭시 경화형 솔더 페이스트는 플럭스 잔사 세정공정의 생략과 함께 솔더 접합부 보강효과를 통해 패키지 신뢰성 향상에도 기여할 수 있을 것으로 생각되었다.
4(b)와 4(c)의 하단 필렛 내부를 보면, 솔더 접합부에 융합되지 못한 솔더볼 잔사가 남아있는 것을 볼 수 있다. 이러한 솔더볼 잔사는 Fig. 5에 나타낸 X-선 투과이미지에서 보다 분명하게 관찰되는 것을 볼 수 있는데, 이는 기존 로진계 솔더 페이스트와 달리 에폭시 레진을 사용하는 에폭시 경화형 솔더 페이스트의 특성에 기인하는 것으로, 향후 개선되어야 할 부분으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무세정 플럭스로는 활성제가 최소화된 저 잔사 타입의 플럭스가 사용되고 있는데 이 방법의 특징은?
무세정 플럭스로는 활성제가 최소화된 저 잔사 타입의 플럭스가 주로 사용되고 있다. 이들은 활성제를 함유하지 않거나 혹은 공정온도에서 쉽게 휘발하도록 하여 최소한 의 잔사만을 남김으로써 문제를 최소화하는 방법이다. 그러나 무세정 플럭스라 하더라도 여전히 미량의 잔사나 반응성 이온 등이 잔류할 가능성이 있어 실제적으로는 대부 분의 경우 세정공정이 이루어지고 있다.
무세정 플럭스라 하더라도 실제적으로 대부분의 경우 세정공정이 이루어지는 이유는?
이들은 활성제를 함유하지 않거나 혹은 공정온도에서 쉽게 휘발하도록 하여 최소한 의 잔사만을 남김으로써 문제를 최소화하는 방법이다. 그러나 무세정 플럭스라 하더라도 여전히 미량의 잔사나 반응성 이온 등이 잔류할 가능성이 있어 실제적으로는 대부 분의 경우 세정공정이 이루어지고 있다.
에폭시의 경화기구를 활용하여 리플로우 공정이 완료된 다음 플럭스 성분을 단단히 고정하는 방법이란?
플럭스 잔사 세정공정을 완전히 생략할 수 있는 방안으 로는 에폭시의 경화기구를 활용하여 리플로우 공정이 완료된 다음 플럭스 성분을 단단히 고정하는 방법을 생각할수 있다. 즉, 에폭시 레진을 비이클로 사용하고, 플럭스 기능과 경화제 기능을 동시에 나타내는 플럭스제를 도입함 으로써 리플로우 공정 중 승온 시에는 플럭싱 작용을 하고 용융온도에서는 가교결합을 일으켜 고정되도록 하는 것이다.
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