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문제 정의
- 이에 따라 본 연구에서는 Sn-Cu-Cr-Ca 무연솔더의 젖음성, 기계적 강도 등의 접합물성을 평가하여 엔진룸용 전장품의 접합소재로서의 적합여부를 평가하였다. 또한 산업적으로 가장 많이 사용되고 있는 Sn-3.5Ag의 솔더와 비교적 중고온계로 분류할 수 있는 Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb 솔더를 사용하여 복합 환경시험에 따른 신뢰성 평가를 연구한 결과를 기술하였다.
- 이에 따라 본 연구에서는 Sn-Cu-Cr-Ca 무연솔더의 젖음성, 기계적 강도 등의 접합물성을 평가하여 엔진룸용 전장품의 접합소재로서의 적합여부를 평가하였다. 또한 산업적으로 가장 많이 사용되고 있는 Sn-3.
제안 방법
- 15 wt.% Ca의 솔더합금 조성을 확인하였다. 솔더 페이스트는 진공 가스 아토마이저(Atomizer)를 이용하여 20∼38 µm크기의 파우더를 제립한 후 RMA 타입 플러스와 혼합하여 제조하였다.
- %로 표기하였다. BGA의 경우 Cu 패드를 ENIG로 표면처리 하였고, PCB Board는 Cu 패드를 OSP 처리를 실시하였다. PCB 위에 솔더볼과 같은 조성을 가지는 솔더페이스트를 도포한 후, BGA 칩을 마운트하고 리플로우를 이용하여 칩과 기판을 접합하였다.
- BGA의 경우 Cu 패드를 ENIG로 표면처리 하였고, PCB Board는 Cu 패드를 OSP 처리를 실시하였다. PCB 위에 솔더볼과 같은 조성을 가지는 솔더페이스트를 도포한 후, BGA 칩을 마운트하고 리플로우를 이용하여 칩과 기판을 접합하였다.
- 6은 접합이 완료된 상태의 제작된 시편 이미지이다. 열피로 시험은 열충격시험과 열싸이클시험, 두 종류의 방법으로 진행하였다. 열충격 시험은 VT 7012 S2(Votsch Co.
- 용융시킨 솔더와 Cu pad 표면과의 접촉각을 접촉각 시험기를 이용하여 측정한 후 솔더의 퍼짐율을 아래의 정의를 이용하여 산출하였다.
- 8 m/s2였다. 위와 같은 진동복합시험을 x, y, z축 차례대로 1회씩 실시하였고, 다시 1회씩 더 실시하여 총 120시간의 복합진동실험을 실시하였다. Fig.
- 유도가열을 이용해 진공분위기에서 600℃까지 상승시킨 후 Ar 분위기에서 1100℃로 가열하여 Cr을 완전히 용해시켰다. 이후 균질화 처리를 하고 ICP 분광기 (Inductively Coupled Plasma Spectrometer)를 통하여 성분분석을 진행하였으며, 이를 통해 미량의 Cr과 Ca의 정량분석을 행하였고, Sn-0.7 wt.% Cu-0.
- 솔더 페이스트는 진공 가스 아토마이저(Atomizer)를 이용하여 20∼38 µm크기의 파우더를 제립한 후 RMA 타입 플러스와 혼합하여 제조하였다. 제작된 솔더 페이스트에 대한 접합강도, 인쇄성을 평가하기 위하여 FR4 재질의 시험평가용 경성 PCB를 제작하였다. PCB는 1005 사이즈 레지스터 칩의 전단강도, 0.
대상 데이터
- PCB는 1005 사이즈 레지스터 칩의 전단강도, 0.08∼0.8 mm 패드간 거리를 가지는 연속 인쇄성 시험을 평가하기 위해 설계, 제작되었다.
- 본 연구에 사용된 솔더의 조성은 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb이었으며 솔더볼의 직경은 450 µm이었다.
- 열충격, 열싸이클 시험의 온도 범위는 자동차의 사용 환경인 -40~150℃ 이었으며 고온과 저온에서의 유지 시간은 각 10분이었고 한 싸이클의 시간은 25분 이었다. 시험은 각각 1500 싸이클까지 진행하였다. 복합진동시험의 경우 진동을 가하면서 온도 조건을 변화켰는데, 이 때 온도 조건은 8시간 동안 -40~150℃의 온도 변화를 준 후, 12시간 동안 상온의 온도 조건을 유지하였다.
이론/모형
- 8 mm 패드간 거리를 가지는 연속 인쇄성 시험을 평가하기 위해 설계, 제작되었다. 칩의 접합강도 시험용 모듈은 솔더 페이스트를 사용하여 리플로우 공법으로 제작하였으며 리플로우 공정의 최고 온도(Peak temperature)는 260℃로 설정하였다.
성능/효과
- 5Ag에 대해서는 솔더 계면에 형성되는 판상의 Ag3Sn이 성장하면서 전기저항의 증가에 보다 기여하는 것으로 보인다. Fig.8의 결과에서 Sn-0.7Cu와 Sn-5.0Sb가 Sn-3.5Ag에 비하여 열 충격, 열싸이클과 같은 열피로 환경이나 복합진동 환경에서 상대적으로 안정적임을 알 수 있었다.
- 2는 Wetting balance 시험기를 이용하여 용융솔더에 대한 Cu 쿠폰의 젖음력을 측정한 결과이다. SAC305와 Sn-Cu-Cr은 약 2 mN으로 동등한 수준의 젖음력을 나타내었지만, Sn-Cu-Cr-Ca은 SAC305 솔더에 비교하여 평균 5% 가량 낮은 젖음력을 나타내었다. 이는 Ca의 산화도가 다른 원소에 비교하여 높기 때문에 Ca의 산화가 Cu pad와의 표면 반응을 방해하여 젖음력을 저하시킨 것으로 추측된다.
- 10에 나타내었다. 각 솔더의 계면 반응으로 생긴 IMC의 조성은 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb 모두 동일하게 Cu6Sn5이었다. Sn-3.
- Sn-Cu-Cr-Ca 합금의 경우, Sn-Cu-Cr과 매우 유사한 결과를 나타내어 Ca첨가에 대한 영향이 나타나지 않았다고 판단된다. 결과적으로 Cr의 첨가는 금속간화합물의 성장을 억제하는 효과를 나타내는 것으로 나타났다. 이전의 연구12-15)에 따르면, Cr의 첨가에 대해 Sn-Ag-Bi-Cr합금에 대해 Cr과 Ca의 Sn에 대한 고용 도가 없음을 고려해 보면 결정립계 혹은 계면 근처에 존재하는 Cr이 금속간 화합물의 형성 및 이동을 방해하여 IMC의 두께증가가 적은 것으로 추측되나, 향후의 연구에서 금속간 화합물의 형성억제 기전과 이것이 접합부 신뢰성에 미치는 영향에 대한 연구가 필요하리라 판단된다.
- 시험 시간이 증가하면서 모든 무연 솔더에서 전기 저항이 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 열충격, 열싸이클 시험 결과, 싸이클 수가 증가 할수록 Sn-0.7Cu, Sn-5.0Sb 솔더에 비하여 Sn-3.5Ag 솔더의 전기 저항 증가율이 급격하게 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 각 시험이 1500 싸이클 진행된 후, Sn-3.
- 7Cu의 경우 열피로 시험 및 복합진동시험에서 시험 전후 IMC의 두께 증가가 두드러지게 나타나지 않았으며 세 가지의 무연 솔더 중에서 가장 얇은 두께를 나타내었다. 또한 Sn-3.5Ag의 경우에 Fig. 13에서 보는 바와 같이 각 시험 후 Ag3Sn이 조대화되는 것을 확인 할 수 있었다. Sn-3.
- 0Sb의 경우에는 60시간까지는 14%가량 감소하다가 120시간 후에는 15%로 감소하여 초기의 감소 폭에 비해 감소량이 줄어드는 경향을 나타내었다. 반면에 Sn-0.7Cu의 120시간 후의 감소율은 7% 수준으로 열피로 시험에서와 유사하게 접합강도의 감소가 작아, 상대적으로 좋은 신뢰성을 보였다. Fig.
- 0Sb 솔더는 열싸이클 시험의 경우에는 1500 싸이클 이후 35%, 44%가 증가하였으며 열충격시험의 경우에는 25%, 32%의 증가량을 보였다. 복합진동시험의 경우에는 Sn-3.5Ag의 전기저항 증가량은 120 시간 후 35%이었으며 Sn-0.7Cu와 Sn-5.0Sb는 각각 7%, 10%의 증가량을 보여, 열피로 시험에서 비슷하게 Sn-3.5Ag가 급격하게 증가하는 경향을 나타냈었다. Kang17) 등은 멀티 리플로우 혹은 시효처리 시 전기 저항이 증가하는 것을 관찰하였으며, 이러한 저항증가의 이유는 계면 IMC 증가와 크랙 등 내부결함 증가에 기인하는 것으로 보았다.
- 5Ag의 경우 열피로 시험이 진행됨에 따라 전기 저항이 급격하게 증가하고, 접합 강도는 반대로 두드러지게 감소하는 관계를 나타냈었다. 복합진동시험의 경우에도 열충격, 열싸이클 시험과 같은 열피로 시험 결과와 유사하게 시험 시간이 증가할수록 접합 강도가 초기 값에 비해 감소하는 경향을 나타내었다. Sn-3.
- Sn-Cu-Cr 솔더의 Cu pad에 대한 퍼짐율은 약 84±2%의 결과를 나타내었다. 상대적 비교를 위하여 SAC305와 Sn-0.7Cu솔더의 퍼짐성을 측정한 결과, SAC305상용 솔더의 경우 약 85%, Sn-0.7Cu 상용 솔더는 82%의 퍼짐율을 나타내었다. 퍼짐성은 소재의 계면장력과 관련되는 물성임을 고려하면 기존 상용솔더의 계면장력과 유사한 값을 지닌다고 판단된다.
- 8에 도시하였다. 시험 시간이 증가하면서 모든 무연 솔더에서 전기 저항이 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 열충격, 열싸이클 시험 결과, 싸이클 수가 증가 할수록 Sn-0.
- 7Cu의 경우에는 초기 강도가 낮음에도 열충격, 열싸이클 시험 결과 다른 두 솔더에 비하여 강도의 감소율이 낮았다. 열싸이클 시험과 열충격 750 싸이클 진행 결과 강도의 감소는 각각 10%, 3%이었으며, 1500 싸이클 진행 후에는 각각 40%, 30%의 감소율을 나타내었다. 특히 750 싸이클까지의 강도감소는 열피로 시험에서 다른 두 솔더에 비해 훨씬 낮았다.
- 이는 ICP 정량적 분석결과, Cr의 함유량이 확인되었음을 고려하면 Cr의 첨가량이 매우 적어서 EDS의 분해능으로 확인이 어려운 것으로 판단되며 계면에서의 편석현상은 없었음을 확인한 결과이다. Fig.
- 4 µm 증가하였다. 총 금속간 화합물 두께를 비교하면 Sn-Cu-Cr에서 발생한 Cu6Sn5 금속간 화합물의 두께는 Sn-0.7Cu 합금에서 발생한 금속간 화합물의 약 50%에 해당하는 두께로 현저히 금속간 화합물의 발생 및 성장이 적은 것을 알 수 있다. 이는 기존의 연구12-15)인 Sn-Ag-Bi-Cr합금계의 실험에서 Cr의 첨가가 Cu6Sn5의 형상을 초기 컬럼러 구조에서 Cr의 첨가에 따라 라운드 타입의 형상으로 바뀌게 되어 Sn의 확산이 억제됨으로 인해 IMC의 성장이 적어지게 된다는 보고와 잘 일치하고 있다.
후속연구
- 내 충격성, 미세구조변화에 따른 기계적 강도변화 등 많은 신뢰성 인자를 검증해야 무연솔더의 안정적 적용을 기대할 수 있으리라 생각한다. 그러나 기존의 일반 전자제품에 비교하여 온도, 습도, 외부적 진동, 충격 등 보다 많고 복잡한 외부 사용 환경이 고려되어져야 하기 때문에 전류인가를 포함한 복합 환경의 조건에서 기계적, 전기적 물성변화를 관찰하여 사용자 조건에 만족하는 공정과 소재가 개발되어야 할 것이다. 특히 고온에서 보다 안정적인 무연솔더의 개발을 통하여 미세구조의 변화에도 만족할 만한 신뢰성을 확보하기 위한 많은 연구가 필요한 상태라 생각된다.
- 자동차 산업에 적용하는 전자모듈의 신뢰성에 대한 평가 및 공정에 대한 개선은 비단 복합 진동시험만에 국한되어 있지는 않다. 내 충격성, 미세구조변화에 따른 기계적 강도변화 등 많은 신뢰성 인자를 검증해야 무연솔더의 안정적 적용을 기대할 수 있으리라 생각한다. 그러나 기존의 일반 전자제품에 비교하여 온도, 습도, 외부적 진동, 충격 등 보다 많고 복잡한 외부 사용 환경이 고려되어져야 하기 때문에 전류인가를 포함한 복합 환경의 조건에서 기계적, 전기적 물성변화를 관찰하여 사용자 조건에 만족하는 공정과 소재가 개발되어야 할 것이다.
- 결과적으로 Cr의 첨가는 금속간화합물의 성장을 억제하는 효과를 나타내는 것으로 나타났다. 이전의 연구12-15)에 따르면, Cr의 첨가에 대해 Sn-Ag-Bi-Cr합금에 대해 Cr과 Ca의 Sn에 대한 고용 도가 없음을 고려해 보면 결정립계 혹은 계면 근처에 존재하는 Cr이 금속간 화합물의 형성 및 이동을 방해하여 IMC의 두께증가가 적은 것으로 추측되나, 향후의 연구에서 금속간 화합물의 형성억제 기전과 이것이 접합부 신뢰성에 미치는 영향에 대한 연구가 필요하리라 판단된다.
- 현재 상용화 되어 적용되고 있는 고온계 솔더로 Sn-5Sb 합금의 공정온도가 245℃이고 기존의 고온계 솔더에 대해 보고를 감안하면11) 230℃이상의 융점을 지니는 개발합금은 새로운 중고온계 합금이라고 할 수 있겠다. 특히 Sb함유 솔더가 Sb의 유해성 검증으로 지속적 사용이 불투명한 것을 고려하면 중온계 솔더 적용에 대한 대안으로서 적용될 수 있을 것으로 판단된다. Fig.
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