[논문]고온고습환경이 Sn계 무연솔더의 부식 및 기계적 특성에 미치는 영향

김정아; 박유진; 오철민; 홍원식; 고용호; 안성도; 강남현

doi:10.5781/jwj.2017.35.3.2

[국내논문] 고온고습환경이 Sn계 무연솔더의 부식 및 기계적 특성에 미치는 영향
Effects of High Temperature-moisture on Corrosion and Mechanical Properties for Sn-system Solder Joints 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.35 no.3, 2017년, pp.7 - 14

김정아 (부산대학교 재료공학과) , 박유진 (부산대학교 재료공학과) , 오철민 (전자부품연구원 시스템로버스트 연구센터) , 홍원식 (전자부품연구원 시스템로버스트 연구센터) , 고용호 (한국생산기술연구원 마이크로조이닝센터) , 안성도 (한국생산기술연구원 마이크로조이닝센터) , 강남현 (부산대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of high temperature-moisture on corrosion and mechanical properties for Sn-0.7Cu, Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) solders on flexible substrate was studied using Highly Accelerated Temperature/Humidity Stress Test (HAST) followed by three-point bending test. Both Sn-0.7Cu and SAC305 solders produced the internal $SnO_2$ oxides. Corrosion occurred between the solder and water film near flexible circuit board/copper component. For the SAC305 solder with Ag content, furthermore, octahedral corrosion products were formed near Ag3Sn. For the SAC305 and Sn-0.7Cu solders, the amount of internal oxide increased with the HAST time and the amount of internal oxides was mostly constant regardless of Ag content. The size of the internal oxide was larger for the Sn-0.7Cu solder. Despite of different size of the internal oxide, the fracture time during three-point bending test was not significantly changed. It was because the bending crack was always initiated from the three-point corner of the chip. However, the crack propagation depended on the oxides between the flexible circuit board and the Cu chip. The fracture time of the three-point bending test was dependent more on the crack initiation than on the crack propagation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그리고 자동차 전장부품의 솔더 접합부가 실외에서 받는 스트레스 인자인 열, 습기, 진동 등에 의해 지속적 피로스트레스가 가해지면 솔더 접합부에 열화가 진행된다^11-13). 따라서 본 연구는 고온고습시험(Highly Accelerated Temperature/Humidity Stress Test;HAST)에서 시험시간에 따라 에어백 충격센서 일체형 차체부품 접합에 적용된 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305),Sn-0.7Cu 무연솔더 접합부의 부식 및 굽힘 특성을 연구하였다.
굽힘 시험 후 400s가 지나면서 저항값은 미세하게 증가하였고, 600s가 지나면서 저항이 급격히 증가하면서 파단이 발생한 것으로 판단된다. 따라서 파단 시점으로 저항이 급격히 증가하여 무한대가 되는 시간으로 정하였다. Fig.
본 연구는 고온고습의 가혹한 환경에 노출되어있는 자동차 전장부품의 신뢰성을 보증하기 위해, 차체부품 접합에 적용된 연성회로 기판과 SAC305와 Sn-0.7Cu 무연솔더 접합부의 HAST 굽힘 특성 및 부식거동에 대한 다음과 같은 결과를 도출하였다.

제안 방법

시험조건은 121℃, 100%RH(Relative Humidity), 2atm의 고온고습환경에서 각각 0, 48, 72, 96시간 동안 시편을 노출시켰다. HAST 시험을 마친 연성회로기판 시편 뒤에 1mm 두께의 얇은 알루미늄 판을 탄성에폭시접착체로 접착하여 굽힘 시험이 가능하도록 하였다.
접합부의 표면에서 관찰되는 산화막은 산화물의 크기와 분율 계산에 포함되지 않았다. 관찰되는 측정값의 신뢰도를 높이기 위해 같은 조건에서 제작된 2-3개의 다른 시편 단면을 관찰하였다.
7Cu 솔더의 내부산화물 분율을 나타낸다. 습기가 없는 Ar 분위기에서도 내부 부식물 생성이 발생하는 지 확인하기 위해 121℃,72h thermal aging한 결과도 포함하였다. Thermal aging한 SAC305 접합부는 Ag3Sn 금속간 화합물 흔적과 함께 내부 산화물이 발견되었고, Sn-0.
차체와 센서모듈 간 접합부에 대한 환경내구신뢰성을 평가하기 위해 HAST 실험을 진행하였다. 시험조건은 121℃, 100%RH(Relative Humidity), 2atm의 고온고습환경에서 각각 0, 48, 72, 96시간 동안 시편을 노출시켰다. HAST 시험을 마친 연성회로기판 시편 뒤에 1mm 두께의 얇은 알루미늄 판을 탄성에폭시접착체로 접착하여 굽힘 시험이 가능하도록 하였다.
접합부의 단면분석을 위해 콜드마운팅한 시편은 2400까지 연마하였고, 그 후 3㎛부터 0.05㎛의 Al2O3 파우더로 기계적 폴리싱을 하였다. 폴리싱된 시편은 에칭 없이 미세조직 관찰을 위해 후방산란전자를 이용한 Scanning electron microscopy (SEM)와 조성분석을 위해 Energy dispersive spectroscopy (EDS)를 수행하였다.
차체와 센서모듈 간 접합부에 대한 환경내구신뢰성을 평가하기 위해 HAST 실험을 진행하였다. 시험조건은 121℃, 100%RH(Relative Humidity), 2atm의 고온고습환경에서 각각 0, 48, 72, 96시간 동안 시편을 노출시켰다.
Supporters 사이의 간격을 22mm로 유지하고 Supporter에 알루미늄 판을 붙인 시편을 고정시킨 후 1mm/min의 굽힘 속도로 시편의 중앙 지점에 일정 하중을 가하였다. 칩 접합부의 파단 유무를 알기 위해 Fig. 2와 같이 연성회로기판과 SOIC 칩 사이에 전기적 도통 실험을 하였다. 크랙여부 판단은 디지털 멀티메타를 이용해서 초단위로 실시간 저항을 측정하였으며, 파단의 판단은 저항이 급격히 증가하여 무한대가 되는 시점으로 정하였다.
2와 같이 연성회로기판과 SOIC 칩 사이에 전기적 도통 실험을 하였다. 크랙여부 판단은 디지털 멀티메타를 이용해서 초단위로 실시간 저항을 측정하였으며, 파단의 판단은 저항이 급격히 증가하여 무한대가 되는 시점으로 정하였다.
05㎛의 Al2O3 파우더로 기계적 폴리싱을 하였다. 폴리싱된 시편은 에칭 없이 미세조직 관찰을 위해 후방산란전자를 이용한 Scanning electron microscopy (SEM)와 조성분석을 위해 Energy dispersive spectroscopy (EDS)를 수행하였다. 솔더 내 분포한 석출물 및 산화물형태와 조성분석을 위해 Electron probe X-ray microanalysis(EPMA)를 사용하였다.

대상 데이터

1과 같이 제작하였다. Small Outline Integrated Circuit(SOIC) 칩과 연성회로기판 사이의 접합을 위해 사용된 솔더는 Ag 함량에 따라 Sn-0.7Cu와 SAC305를 사용하였다. Sn-0.

데이터처리

산화물의 크기는 산화물의 중점을 지나는 지름선을 2°간격으로 모두 측정한 값들의 평균값을 사용하였다.

이론/모형

폴리싱된 시편은 에칭 없이 미세조직 관찰을 위해 후방산란전자를 이용한 Scanning electron microscopy (SEM)와 조성분석을 위해 Energy dispersive spectroscopy (EDS)를 수행하였다. 솔더 내 분포한 석출물 및 산화물형태와 조성분석을 위해 Electron probe X-ray microanalysis(EPMA)를 사용하였다.

성능/효과

1) HAST 시험 전 솔더 접합부 표면에만 존재하던 Sn계산화물은 121℃, 2atm, 100% RH 조건의 HAST 시험 이후 솔더 내부에서도 발견되었다. HAST 시험 후SAC305와 Sn-0.
2) HAST 시험 전 SAC305와 Sn-0.7Cu 솔더의 내부 산화물 분율은 모두 1 vol.% 미만이었다.
3) HAST 시험 전 SAC305 솔더의 산화물 지름은 7.1㎛이다. 48h와 72h HAST 시험을 마치면 각각 9.
4) Ag 함량에 따른 솔더 접합부의 굽힘 특성 변화는 크랙의 시작 위치가 모두 부품과 솔더의 리드프레임 코너 부위에서 시작하였다. 크랙의 시작은 내부 산화물의 주요 위치와 일치하지 않았기 때문에, HAST 시간과 솔더의 종류에 따른 굽힘 특성 변화는 없었다.
Figs. 7과 8을 통해 Ag가 함유된SAC305 솔더 보다 Ag가 없는 Sn-0.7Cu 솔더가 HAST 시간이 증가할수록 산화물의 양은 큰 차이가 없고 산화물의 크기는 크게 증가한 것을 확인하였다.
7Cu 솔더 접합부와 마찬가지로 Cu6Sn5와 솔더의 경계에서 균열이 전파됐지만, 전파 경로에 내부 산화물이 있는 경우 내부 산화물을 따라 균열이 전파된다. Ag3Sn의 산화가 일어나지 않는 Sn-0.7Cu 솔더 접합부는 균열의 전파경로가 Cu6Sn5와 솔더의 경계를 따르고 있음을 확인 하였다. 균열이 지나간 경로에는 연성회로기판의 특성상 굽힘 시험 과정에서 기판이 휘어지기 때문에 scallop형태로 자라는 Cu6Sn5 경계에 횡 균열이 나타났다.
9는 각 솔더의 Sn계 산화물 크기 분포의 히스토그램을 나타낸다. Ag가 함유된 SAC305 솔더는 HAST 시간이 증가 할수록 내부 산화물의 크기는 증가하지만 평균값과 유사한 크기의 산화물이 증가하여 전체적인분율이 증가하는 것을 알 수 있다. Ag가 함유되지 않은 Sn-0.
(Figs. 4c, 4d) SAC305 솔더와 동일하게 Sn-0.7Cu 솔더 접합부도 Sn 산화물이 발견되었으며, 시험 시간이 증가할수록 내부 산화물의 양이 증가하였다.
HAST 시험 이전에는 Ag를 함유한 SAC305 솔더 접합부가 더 많은 내부 산화물을 가지고 있었지만, HAST 시간이 증가함에 따라 Ag함량이 내부 산화물 분율에 주는 영향은 거의 없었다. Thermal aging 실험결과를 통하여 121℃ 온도 이외에도 2atm, 100% RH 분위기가 내부 산화물 생성과 성장에 큰 영향을 주었음을 확인하였다.
11은 SAC305시편의 HAST 72h 이후 굽힘 시험 시 측정한 저항 곡선이다. 굽힘 시험 후 400s가 지나면서 저항값은 미세하게 증가하였고, 600s가 지나면서 저항이 급격히 증가하면서 파단이 발생한 것으로 판단된다. 따라서 파단 시점으로 저항이 급격히 증가하여 무한대가 되는 시간으로 정하였다.
5㎛ 로 증가하였지만 48h과 72h에서는 크기의 차이가 거의 없었다. 그리고 HAST 시험 전 Sn-0.7Cu 솔더 접합부의 내부 산화물 지름은 9.3㎛ 이었고, 48h와 72h HAST 시험에서는 각각 11.4㎛와 14.3㎛로 증가하였다. Ag가 없는 Sn-0.
%였다. 두 솔더 모두 HAST 시험 후 산화물 분율이 증가하였고,HAST 실시 후 48시간까지 산화물 분율은 증가하였지만 그 이후는 큰 차이가 없었다. HAST 시험 이전에는 Ag를 함유한 SAC305 솔더 접합부가 더 많은 내부 산화물을 가지고 있었지만, HAST 시간이 증가함에 따라 Ag함량이 내부 산화물 분율에 주는 영향은 거의 없었다.
7Cu 솔더 모두 HAST 시간에 상관없이 굽힘 특성이 오차범위 내에서 변함이 없었다. 즉, Ag 함량의 유무와 HAST 시간과는 상관없이솔더 접합부에서의 굽힘 특성은 큰 차이가 없었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	어떤 경우에 Sn계 무연솔더에 부식이 일어나게 되는가?	Sn계 무연솔더는 일반적인 작동환경에서 산화를 방지하는 Sn 산화층이 표면에 형성되어 높은 내식성을 가진다고 알려져 있다. 그러나 솔더가 고온고습, halide 이온과 같은 가혹한 환경에 노출되면 부식이 일어나게 된다5,6). 이에 따른 부식생성물에 의해 솔더 접합부는 전기적 단락을 야기하고 기계적 특성이 감소한다7-10).
	Sn계 무연솔더가 높은 내식성을 가지는 이유는 무엇인가?	Sn계 무연솔더는 일반적인 작동환경에서 산화를 방지하는 Sn 산화층이 표면에 형성되어 높은 내식성을 가진다고 알려져 있다. 그러나 솔더가 고온고습, halide 이온과 같은 가혹한 환경에 노출되면 부식이 일어나게 된다5,6).
	자동차의 전장부품에 납이 함유되지 않은 무연부품과 무연솔더를 적용해야하는 이유는 무엇인가?	오늘날 친환경 소재사용에 대한 환경규제 법안에 의해 전자제품에서의 무연솔더 적용은 이미 상용화 되었다1). 자동차 전장부품도 2016년부터 유해물질규제(RoHS)가 발효되었고, 유럽의 폐차처리지침(End-of-Life Vehicle, ELV)에서는 자동차에 사용되는 4대 중금속(납, 수은,카드뮴, 6가 크롬)을 포함하는 부품의 사용 금지를 결정하였다2-4). 이와 같은 이유로 자동차 전장부품에는 납이 함유되지 않은 무연부품과 무연솔더를 적용하여야 한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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