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[국내논문] Sn-0.7Cu-xZn와 OSP 표면처리 된 기판의 솔더접합부의 고속 전단강도에 미치는 Zn의 영향
Effect of Zn content on Shear Strength of Sn-0.7Cu-xZn and OSP surface finished Joint with High Speed Shear Test 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.24 no.1, 2017년, pp.45 - 50  

최지나 (성균관대학교 신소재공학부) ,  방제오 (성균관대학교 신소재공학부) ,  정승부 (성균관대학교 신소재공학부)

초록
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본 연구에서는 Sn-0.7Cu-xZn 무연솔더와 OSP 표면처리 된 솔더접합부의 전단강도Zn 함유량에 따라 평가하였다. 다섯 종류의 Sn-0.7Cu-xZn (x=0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 wt.%) 솔더페이스트를 제작한 뒤, OSP(organic solderability preservative) 표면처리 한 PCB(printed circuit board) 기판의 전극에 리플로우 공정으로 180 um 직경의 솔더볼을 형성하였다. 전단강도는 두 가지 조건의 전단속도(0.01, 0.1 m/s)로 고속전단시험(high speed shear test)을 통해 측정하였고, 고속전단시험 시에 측정된 F-x(Force-distance) curve를 통해 파괴에너지(fracture energy)를 계산하였다, SEM(주사전자현미경, scanning electron microscopy)과 EDS(energy dispersive spectroscopy) 분석을 통하여 단면과 파단면을 관찰하였고, 금속간 화합물(intermetallic compound, IMC) 층을 분석하였다. Zn 함유량이 증가함에 따라 금속간 화합물 층의 두께는 감소하였고, Zn 함유량이 0.5 wt.%일 때 가장 높은 전단 강도(shear strength)를 나타내었다. 전체적으로 높은 전단속도 조건의 전단강도 값이 낮은 전단속도 조건의 전단강도보다 높았다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We investigated effect of Zn content on shear strengh of Sn-0.7Cu-xZn and OSP surface finished solder joints. Five pastes of Sn-0.7Cu-xZn (x=0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 wt.%) solders were fabricated by mixing of solder powder and flux using planatary mixer. $180{\mu}m$ diameter solder balls wer...

Keyword

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제안 방법

  • 0 wt.% 첨가하여 삼원계 무연 솔더 합금을 제작하고 고속전단시험을 통해 Sn-0.7Cu-xZn 삼원계 무연솔더의 기계적 특성을 평가하였다.
  • 0 wt.% 첨가하여 주조 공정을 통해 삼원계 무연솔더 합금을 제작하였다. 합금 자체의 특성 변화를 분석하기 위해 비커스 경도계를 이용하여 50 g의 하중으로 솔더 합금의 비커스 경도를 측정하였다.
  • % 첨가하여 주조 공정을 통해 삼원계 무연솔더 합금을 제작하였다. 합금 자체의 특성 변화를 분석하기 위해 비커스 경도계를 이용하여 50 g의 하중으로 솔더 합금의 비커스 경도를 측정하였다.
  • 제작된 솔더 합금을 아토마이징 공정을 통해 직경 20~38 μm의 type-4 솔더 파우더로 제작하였다. 솔더 파우더와 플럭스(CVP-390, alpha metal corp.)를 공전 속도 600 rpm, 자전 속도 600 rpm, 교반 시간 10분으로 교반하여 솔더 페이스트를 제작하였다.
  • PCB의 전극부는 기판당 opening 120 μm 크기의 Cu 전극 23개로 형성되었다. 모든 PCB 전극은 organic solderability preservative(OSP) 표면처리를 실시하였다.
  • 기판에 솔더볼을 형성하기 위하여 메탈 마스크를 이용해 솔더 페이스트를 기판 위에 도포하고 리플로우 공정을 실시하였다. 솔더 페이스트를 도포하기에 앞서 기판의 유기물 및 산화물을 제거하기 위해 10 vol% H2SO4를 이용하여 산세 처리를 한 후, DI water로 수세 처리를 하였다.
  • 솔더 접합부는 JEDEC 규격에 따라 전단속도 0.01, 0.1 m/s, 전단높이 30 μm로 고속전단시험을 실시하여 전단 강도를 측정하였고, 고속전단시험의 모식도를 Fig. 1(c)에 나타내었다.
  • 형성된 무연 솔더 접합부의 기계적 특성을 평가하기 위해 고속전단시험을 실시하였다. 솔더 접합부는 JEDEC 규격에 따라 전단속도 0.
  • 1(c)에 나타내었다. 고속전단시험 시에 측정된 F-x(Force-displacement) curve를 통해 파괴에너지(fracture energy)를 산출하였다. 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM, S-3000H, Hitachi, Japan)을 이용하여 접합부의 단면과 고속전단시험 후 파단면의 미세 구조를 관찰하였고, EDS(energy-dispersive X-ray spectroscopy, 7021-H Horiba, Japan) 분석을 통하여 접합부의 IMC 생성을 확인하였다.
  • 고속전단시험 시에 측정된 F-x(Force-displacement) curve를 통해 파괴에너지(fracture energy)를 산출하였다. 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM, S-3000H, Hitachi, Japan)을 이용하여 접합부의 단면과 고속전단시험 후 파단면의 미세 구조를 관찰하였고, EDS(energy-dispersive X-ray spectroscopy, 7021-H Horiba, Japan) 분석을 통하여 접합부의 IMC 생성을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 Sn-0.7Cu-xZn 삼원계 무연 솔더를 이용하여 OSP 표면처리된 Cu 전극에 솔더볼을 형성한 후, 고속전단시험을 통하여 Zn 함유량에 따른 전당 강도와 파괴 에너지를 측정하고, 미세구조를 관찰하였다.
  • 이는 Zn 함유량에 따라 생성되는 금속간 화합물 층의 두께와 형상에 따른 것으로 사료된다. 또한, 고속전단시험의 전단속도에 따라서 다른 형태의 F-x curve가 측정되어, 전단속도가 솔더 접합부의 전단강도에 미치는 영향을 평가하였다. 전단속도가 높을수록 전단 강도가 증가하며, 파괴에너지가 감소하는 경향을 보였다.
  • 기판에 솔더볼을 형성하기 위하여 메탈 마스크를 이용해 솔더 페이스트를 기판 위에 도포하고 리플로우 공정을 실시하였다. 솔더 페이스트를 도포하기에 앞서 기판의 유기물 및 산화물을 제거하기 위해 10 vol% H2SO4를 이용하여 산세 처리를 한 후, DI water로 수세 처리를 하였다. 리플로우 피크 온도는 270°C이며, 리플로우 프로파일을 Fig.

대상 데이터

  • 제작된 솔더 합금을 아토마이징 공정을 통해 직경 20~38 μm의 type-4 솔더 파우더로 제작하였다.
  • PCB의 전극부는 기판당 opening 120 μm 크기의 Cu 전극 23개로 형성되었다.
  • 고속전단시험을 위하여 FR-4 PCB 기판을 제작하여 사용하였다. PCB의 전극부는 기판당 opening 120 μm 크기의 Cu 전극 23개로 형성되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
솔더란 무엇인가? 전자 제품에서 솔더는 전자부품 간의 기계적, 전기적 연결을 위해 사용되는 재료이다. 재료로는 Sn-Pb 유연 솔더가 기계적, 물리·화학적, 열적 특성 등이 우수하여 가장 광범위하게 사용되어 왔으나, Pb의 사용을 규제하는 법안인 RoHS(Restriction of hazardous substance in electrical and electronic equipment) 규제가 2006년 7월부터 시행되면서.
Zn 원소의 특징은? Zn 원소는 Sn-0.7Cu 합금에 미소 합금 원소로 사용되어 효과적으로 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 원소로 알려져 있다. Zn 원소가 Sn-0.
Zn 함유량이 증가할수록 전단 강도가 감소하는 이유는? %의 조건에서 가장 높은 전단 강도를 나타내었고, Zn 함유량이 증가할수록 전단 강도가 감소하는 것을 확인하였다. 이는 Zn 함유량에 따라 생성되는 금속간 화합물 층의 두께와 형상에 따른 것으로 사료된다. 또한, 고속전단시험의 전단속도에 따라서 다른 형태의 F-x curve가 측정되어, 전단속도가 솔더 접합부의 전단강도에 미치는 영향을 평가하였다.
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참고문헌 (13)

  1. Label, Product ID, and R. oHS Compliance Engineer, "Directive 2002/95/EC of the European Parliament and of the Council, Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment (RoHS)", sEU (2003). 

  2. S. W. Chen, S. W. Lee, and M. C. Yip, "Mechanical properties and intermetallic compound formation at the Sn/Ni and Sn-0.7wt.%Cu/Ni joints", J. Electron. Mater., 32(11), 1284 (2003). 

  3. J. W. Yoon, W. C. Moon, and S. B. Jung, "Interfacial Reaction of ENIG/Sn-Ag-Cu/ENIG Sandwich Solder Joint during Isothermal Aging", Microelectron. Eng., 83, 2329 (2006). 

  4. J. H. Ahn, K. S. Kim, Y. C. Lee, Y. Kim, and S. B. Jung, "Regulation in Shear Test Method for BGA of Flip-chip Packages", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(3), 1 (2010). 

  5. J. M. Koo, C. Y. Lee, and S. B. Jung, "Effect of Reflow Number on Mechanical and Electrical Properties of Ball Grid Array (BGA) Solder Joints", J. Microelectron. Packag. Soc., 14(4), 71 (2007). 

  6. M. Abtew and G. Selvaduray, "Lead free Solders in Microelectronics", Mat. Sci. .Eng. R., 27(5), 95 (2000). 

  7. J. Glazer, "Microstructure and Mechanical Properties of Pbfree Solder Alloys of Low-cost Electronic Assembly: a Review", J. Electron. Mater., 23(8), 693 (1994). 

  8. D. R. Frear, J. W. Jang, J. K. Lin and C. Zhang, "Pb-free solders for flip-chip interconnects", J. Minerlas. Metal. Mater. Soc., 53(6), 28 (2001). 

  9. G. Zeng, S. D. McDonald, Q. Gu, Y. Terada, K. Uesugi, H. Yasuda, K. Nogita, "The influence of Ni and Zn additions on microstructure and phase transformations in Sn-0.7Cu/Cu solder joints", Acta Materialia, 83, 357 (2015). 

  10. M. G. Cho, S. K. Kang, S. K. Seo, D.-Y. Shih, and H. M. Lee, "Interfacial reactions and microstructures of Sn-0.7Cu-xZn solders with Ni-P UBM during thermal aging", J. Electron. Mater., 38(11), 2242 (2009). 

  11. J. W. Yoon and S. B. Jung, "Effect of Surface Finish on Inter-facial Reactions of Cu/Sn-Ag-Cu/Cu(ENIG) Sandwich Solder Joints", J. Alloys. Compd., 448(1), 177 (2008). 

  12. J. W. Yoon, S. W. Kim, J. M. Koo, D. G. Kim, and S. B. Jung, "Reliability investigation and interfacial reaction of ball-gridarray packages using the lead-free Sn-Cu solder", J. Electron. Mater., 33(10), 1190 (2004). 

  13. J. W. Yoon, S. W. Kim, and S. B. Jung, "Effect of reflow time on interfacial reaction and shear strength of Sn-0.7Cu solder/ Cu and electroless Ni-P BGA joints", J. Alloys. Compd., 385(1), 192 (2004). 

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