[논문]전자 패키징용 고신뢰성 나노입자 강화솔더

정도현; 백범규; 임송희; 정재필

doi:10.6117/kmeps.2018.25.2.001

전자 패키징용 고신뢰성 나노입자 강화솔더
High reliability nano-reinforced solder for electronic packaging 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.25 no.2, 2018년, pp.1 - 8

정도현 (서울시립대학교 신소재공학과) , 백범규 ((주)경동원) , 임송희 ((주)경동원) , 정재필 (서울시립대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In the soldering industry, a variety of lead-free solders have been developed as a part of restricting lead in electronic packaging. Sn-Ag-Cu (SAC) lead-free solder is regarded as one of the most superior candidates, owing to its low melting point and high solderability as well as the mechanical property. On the other hand, the mechanical property of SAC solder is directly influenced by intermetallic compounds (IMCs) in the solder joint. Although IMCs in SAC solder play an important role in bonding solder joints and impart strength to the surrounding solder matrix, a large amount of IMCs may cause poor strength, due to their brittle nature. In other words, the mechanical properties of SAC solder are of some concern because of the formation of large and brittle IMCs. As the IMCs grow, they may cause poor device performance, resulting in the failure of the electronic device. Therefore, new solder technologies which can control the IMC growth are necessary to address these issues satisfactorily. There are an advanced nanotechnology for microstructural refinement that lead to improve mechanical properties of solder alloys with nanoparticle additions, which are defined as nano-reinforced solders. These nano-reinforced solders increase the mechanical strength of the solder due to the dispersion hardening as well as solderability of the solder. This paper introduces the nano-reinforced solders, including its principles, types, and various properties.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^13-14)나노입자 강화솔더의 제조방법은 외부에서 나노입자를 솔더 기지상 내에 투입하여 혼합하는 기계적 혼합법, 나노입자를 외부에서 투입하지 않고 공정 중에 석출하여 분산되도록 하는 In-situ 제조법 등 몇 가지의 방법이 존재한다. 본 고에서는 나노입자 강화솔더 제조에 사용되는 나노입자의 종류와 그 특성을 최신 동향과 함께 소개하기로 한다.
또한, 나노 입자 종류 및 기지의 종류에 따라서 융점을 변화시키기도 한다. 본 챕터에서는 최적 함량의 나노입자가 솔더 기지에 균일하게 분산되었을때나타나는솔더특성에대해알아보고자 한다.
본고에서는 고신뢰성 나노입자 강화솔더 및 그 동향에 대하여 소개하였다. 이 솔더는 다원계 합금 설계를 통한 기존의 석출 강화형 솔더와는 달리 솔더 기지 내 나노입자의 균일 분산으로 인한 분산강화형이며 온도에 따른 강도 변화가 석출강화에 비하여 적은 것이 특징이다.

제안 방법

5) 그 후, 고온 고습 시효 테스트를 수행하여 접합 계면의 금속간화합물 성장 거동을 분석하였다. 그 결과, Table 1과 같이 나노입자 강화솔더를 사용한 솔더의 경우 모든 조건에서 기존 솔더에 비해 금속간화합물의 두께가 감소한 것을 확인하였다.
또한, 저자들도 나노 입자를 SAC305 솔더 기지 내 균일하게 분산시켜 나노입자 강화솔더를 제조한 후 Cu 기판에 리플로우하여 접합하였다.⁵⁾ 그 후, 고온 고습 시효 테스트를 수행하여 접합 계면의 금속간화합물 성장 거동을 분석하였다.
저자들도 GNP 나노입자 강화솔더에서 β-Sn 영역의 grain size를 조사하여 GNP 나노입자의 첨가로 인한 pro-eutectic phase의 미세화를 확인하였다.
그러나 나노입자가 솔더 기지 상에 균일하게 분산되면 이러한 금속간화합물의 성장이 억제되며, 많은 연구자들에 의해 나노입자의 첨가로 인한 금속간화합물 미세화가 보고되고 있다. 저자들은 그래핀 나노입자(graphene nanoplatelet, GNP)를분산시킨 SAC305 솔더 페이스트의 금속간화합물의 성장을 분석하였다.¹⁵⁾그 결과, GNP가 금속간화합물의 성장을 억제하는데 큰 효과를 나타냈으며, 인장시험과 비커스 경도시험에서 향상된 결과를 나타내었다.
저자들은 솔더 기지 내 분산된 나노 입자들의 TEM 분석을 행하였으며, 그 결과의 예를 Fig. 7에 나타내었다.¹⁵⁾ TEM 분석에따르면, 나노입자들이기지내 Ag₃Sn, Cu₆Sn₅ 금속간화합물 표면 흡착하게 되고, 이로 인해 나노 입자들이 금속간화합물 억제시킨다는 사실을 확인하였다.

성능/효과

5Ag 솔더 보다 높은 전단강도 값을 나타내었고,¹⁰⁾ Guo 등은 Ag₃Sn 나노입자가 SAC 솔더의 Cu₆Sn₅ 금속간화합물 성장에 미치는 영향을 보고하였다.¹¹⁾ 그 결과, Ag₃Sn 금속간화합물 나노입자를 첨가하였을 때 기지 내 존재하는 Cu₆Sn₅ 금속간화합물 성장이 억제됨을 확인하였다. 또한, El-Daly 등도 0.
7에 나타내었다.¹⁵⁾ TEM 분석에따르면, 나노입자들이기지내 Ag₃Sn, Cu₆Sn₅ 금속간화합물 표면 흡착하게 되고, 이로 인해 나노 입자들이 금속간화합물 억제시킨다는 사실을 확인하였다. 즉, 표면에 흡착된 나노 입자들로 인해 솔더의 기계적 특성이 향상된다.
저자들은 그래핀 나노입자(graphene nanoplatelet, GNP)를분산시킨 SAC305 솔더 페이스트의 금속간화합물의 성장을 분석하였다.¹⁵⁾그 결과, GNP가 금속간화합물의 성장을 억제하는데 큰 효과를 나타냈으며, 인장시험과 비커스 경도시험에서 향상된 결과를 나타내었다.
16) 실험 결과, Fig. 2와 같이 NiO 나노입자의 분산으로 인해 솔더 접합부 계면의 Cu₆Sn₅ 금속간화합물 두께가 감소한 것이 확인되었으며, nano-indentation을 이용하여 솔더의 기계적 특성을 측정한 결과, NiO 나노입자 강화솔더의 경도가 일반 솔더보다 높은 것으로 나타났다. Li 등은 TiO₂ 나노입자가 분산된 SAC305 솔더의 미세조직을 분석하였으며, 각각 TiO₂ 나노입자의 분산으로 인한 금속간화합물의 성장 억제와 기계적 특성 향상을 확인하였다.
19)그 결과, GNS 나노입자로 강화된 솔더에서 Fig. 3과 같이 β-Sn 영역이 미세화된 것을 확인하였다.
즉, 무연 솔더가 전자재료 패키징 분야에 사용되고 있으며, 그 예로 Sn-Ag-Cu, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Zn, Sn-Bi 계의 다양한 무연 솔더들이 개발되었고 이의 개선을 위해 연구들이 진행되고 있다.²⁾ 이러한 무연솔더는 기계적 특성, 솔더링성 및 신뢰성 등이 기존의 Sn-Pb 솔더와 유사하거나 우수한 것이 추천된다. 또한, 가격적인 측면과 솔더의 융점 또한 중요하게 고려해야 할 사항이다.
80^oC로 기존 솔더와 큰 변화가 없음이 보고되었다.²⁴⁾ 결과적으로, 나노입자 강화솔더의 융점은 나노입자 강화솔더의 종류 및 함량에 따라 변화하며, 연구 목표에 따라 다양한 나노입자 및 함량을 이용하여 솔더 기지의 융점을 변화시킬 수 있다(Table 2 참조).
4초 단축시켰다.²⁵⁾ 나노입자에 의한 젖음성 향상 매커니즘은 최적의 함량을 갖는 나노 입자들은 용융솔더의 표면 장력을 감소시키고, 유동성을 증가시켜 젖음성이 향상되는 것으로 예측하고 있다. 그러나, 이들 결과에서 최적 함량의 나노 입자 범위를 벗어나 과도한 양의 나노 입자를 솔더 기지내 첨가하였을 경우에는, 표면에너지가 높은 나노 입자들이 서로 응집하게 되고, 이로 인해 용융 솔더의 점도가 증가하여 오히려 젖음성이 저하된다.
Shi 등은 Sn-Cu계와 Sn-Pb계 솔더에 마이크로 및 나노 size의 Cu와 Ag 입자를 첨가하여 나노입자 강화솔더를 제조하고, 그 크리프 특성을 분석하였다.²⁷⁾ 분석 결과, 마이크로 size의 입자로 강화된 솔더가 더 우수한 크리프 특성을 나타내었으며, 나노미터 크기의 입자로 강화된 솔더는 인장강도와 전단강도가 더 우수한 것으로 나타났다. 이들은 그 이유를 나노 size의 입자가 솔더 기지 상의 결정립 미세화를 진행시켜 마이크로 size의 입자를 분산시킨 경우보다 입계 슬라이딩이 더 잘 일어나기 때문이라고 보고하였다.
그러나 SAC 무연솔더 사용 시, 시간 및 온도 상승에 따라, 접합 계면에 Ag₃Sn 및 Cu₆Sn₅ 등의 취성인 금속간화합물이 성장하게 된다.³⁾ 적정량의 금속간화합물은 솔더의 접합 강도를 향상시키지만, 연속적이고 지나친 금속간화합물은 강한 취성 특성으로 인해 금속간화합물을 따라 균열이 발생하게 되고, 이 후 접합부 강도 저하시키는 큰 문제점이 있다.
0 wt%까지 증가하여 나노입자 강화솔더를 제조하고, 솔더 기지의 융점 및 젖음성을 평가하였다.⁹⁾ 그 결과, Cu 나노입자가 0.7 wt%가 첨가되었을 때 솔더 기지의 융점은 215.0^oC, 3.0 wt%의 Cu가 첨가되었을 때에는 약 213.6^oC로 기존 솔더 대비 각각 1.87%, 2.51%가 감소된 나노입자 강화솔더를 제조하였으며, 젖음성 역시 기존 솔더 대비 약 25.19%가 개선된 결과를 확인하였다.
결과적으로, 최적의 나노 입자가 솔더 기지 내 첨가된 경우, 솔더 기지 내 β-Sn 영역의 grain 크기가 감소하며, 이러한 결과는 균일하게 분산된 나노 입자들이 핵생성 접종제로 작용하여, 솔더의 β-Sn grain 성장을 억제하는 효과가 있음을 의미한다.
⁵⁾ 그 후, 고온 고습 시효 테스트를 수행하여 접합 계면의 금속간화합물 성장 거동을 분석하였다. 그 결과, Table 1과 같이 나노입자 강화솔더를 사용한 솔더의 경우 모든 조건에서 기존 솔더에 비해 금속간화합물의 두께가 감소한 것을 확인하였다.
또한, 나노입자의 종류 및 함량에 따라서, 솔더 기지의 인장강도뿐 아니라 연신율을 향상시키는 연구결과도 보고되고 있다. 저자들은 그래핀 나노 입자를 SAC305 솔더 기지 내에 첨가하여 Fig. 6과 같이 향상된 인장강도와 연신율 값을 보고하였으며, 최적 함량 0.21 wt%일 때 기존 SAC305 솔더 대비 인장강도와 연신율이 각각 28.18%, 50.93% 증가한 결과를 나타내었다.¹⁵⁾

후속연구

아울러 정보통신기기에서도 플립칩, 3D 실장 등의 더욱 미세화된 솔더 접합부도 기존 솔더 대비 더 높은 강도와 연성, 인성 등이 필요한 상황이다. 본 나노입자 강화 솔더의 우수한 기계적, 금속학적 특성을 잘 활용하면 이러한 문제점을 해결하는 중요한 소재가 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	개발되고 있는 다양한 무연 솔더들은?	따라서, 기존의 전자 패키징 분야뿐만 아니라, 자동차 전장품 분야에서도 무연솔더(Pb-free solder)의 적용이 요구되고 있다. 즉, 무연 솔더가 전자재료 패키징 분야에 사용되고 있으며, 그 예로 Sn-Ag-Cu, Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Zn, Sn-Bi 계의 다양한 무연 솔더들이 개발되었고 이의 개선을 위해 연구들이 진행되고 있다.2) 이러한 무연솔더는 기계적 특성, 솔더링성 및 신뢰성 등이 기존의 Sn-Pb 솔더와 유사하거나 우수한 것이 추천된다.
	자동차 전장품 분야에서 무연솔더(Pb-free solder)의 적용이 요구되는 이유는?	Sn-Pb 유연 솔더 내 납(Pb)의 유독성으로 인하여 유럽연합(EU)에서는 모든 전자제품 내 납의 사용을 제한하는 유해물질 제한지침(restriction of hazardous substances, RoHS)과 전자전기폐기물처리지침(waste electrical and electronic equipment, WEEE)을 발령하여 납의 사용을 강력히 규제하고 있다. 또한, 자동차 전장용 패키징 분야에서도 2016년 1월부터 자동차 전장품의 납(Pb) 사용을 금지하는 ELV(end of life vehicles) 규제가 발의되었다.1)
	SnAg-Cu (SAC) 무연솔더가 가장 널리 사용되고 있는 이유와 문제점은?	그러나, 여러 종류의 무연솔더가 연구 및 개발되고 있지만, Sn-Pb 솔더에 비해 충분히 만족할만한 솔더는 개발되지 않고 있다. 앞서 언급한 다양한 무연 솔더 중, SnAg-Cu (SAC) 무연솔더는 솔더링성이 우수하고, 융점이 높지 않은 편이라 전자재료 패키징 분야에서 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 SAC 무연솔더 사용 시, 시간 및 온도 상승에 따라, 접합 계면에 Ag3Sn 및 Cu6Sn5 등의 취성인 금속간화합물이 성장하게 된다.3) 적정량의 금속간화합물은 솔더의 접합 강도를 향상시키지만, 연속적이고 지나친 금속간화합물은 강한 취성 특성으로 인해 금속간화합물을 따라 균열이 발생하게 되고, 이 후 접합부 강도 저하시키는 큰 문제점이 있다.

참고문헌 (28)

D. H. Jung, D. U. Lim, B. G. Baek, S. H. Lee, J. H. Yoon, and J. P. Jung, "Wettability analysis of solders using wetting balance test", J. Microelectron. Packag. Soc., 24(2), 1 (2017).

원문보기 상세보기
D. H. Jung, Y.G. Lee, and J. P. Jung, "Shearing characteristics of Sn3.0Ag0.5Cu solder ball for standardization of high speed shear test", J. Microelectron. Packag. Soc., 18(1), 35 (2011).
S. Cho, J. Jang, and Y. Ko, "Study on effects of solder joint aging on the reliability of embedded package solder joints using numerical analysis", J. Microelectron. Packag. Soc., 25(1), 17 (2018).
A. Sharma, D. U. Lim, and J. P. Jung, "Microstructure and brazeability of SiC nanoparticles reinforced Al-9Si -20Cu produced by induction melting", Mater. Sci. Technol., 32(8), 773 (2016).

상세보기
D. H. Jung, and J. P. Jung, "Influence of dual ceramic nanomaterials on the solderability and interfacial reactions between lead-free Sn-Ag-Cu and a Cu conductor", J. Alloy. Compd., 743(30), 300 (2018).

상세보기
A. Sharma, and J. P. Jung, "Aluminium based brazing fillers for high temperature electronic packaging applications", J. Microelectron. Packag. Soc., 22(4), 1 (2015).
A. Yakymovych, P. Svecsr, L. Orovcik, O. Bajana, and H. Ipser, "Nanocomposite SAC solders: the effect of adding Ni and Ni-Sn nanoparticles on morphology and mechanical properties of Sn-3.0Ag-0.5Cu solders", J. Electron. Mater., 47(1), 117 (2018).

상세보기
K. Bukat, K. Koscielski, J. Sitek, M. Jakubowska, and A. Mlozniak, "Silver nanoparticles effect on the wettability of Sn-Ag-Cu solder pastes and solder joints microstructure on copper", Solder. Surf. Mount Technol., 23(3), 150 (2011).

상세보기
A. Nadia, and A. Haseeb, "Understanding the effects of addition of copper nanoparticles to Sn-3.5 Ag solder", Solder. Surf. Mount Technol., 23(2), 68 (2011).

상세보기
L. Y. Hsiao, G. J. Chiou, J. G. Duh, and S. Y. Tsai, "Synthesis and application of novel lead-free solders derived from Sn-based nanopowders", Proc. 7th IEEE CPMT Int. Conf. on Electronics Packaging Technology, 358 (2006).
B. Guo, A. Kunwar, N. Zhao, J. Chen, Y. Wang, and H. Ma, "Effect of $Ag_{3}Sn$ nanoparticles and temperature on $Cu_{6}Sn_{5}$ IMC growth in Sn-xAg/Cu solder joints", Mater. Res. Bull., 99(1), 239 (2018).

상세보기
A. Daly, W. M. Desoky, A. F. Saad, N. A. Mansor, E. H. Lotfy, H. M. Elmoniem, and H. Hashem, "The effect of undercooling on the microstructure and tensile properties of hypoeutectic Sn-6.5Zn-xCu Pb-free solders", Mater. Des. 80(5), 152 (2015).

상세보기
J. P. Jung, D. H. Jung, and R. S. Harini, "Lead-free solder composition and method for manufacturing thereof", Patent application number 10-2017-0130284 (2017).
J. P. Jung, D. H. Jung, and D. U. Lim, "Lead-free solder composition and method for manufacturing thereof", Patent application number 10-2017-0063042 (2017).
A. Sharma, H. Sohn, and J. P. Jung, "Effect of graphene nanoplatelets on wetting, microstructure, and tensile characteristics of Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC) alloy", Metall. Mater. Trans A, 47A, 494 (2016).
S. Chellvarajoo, and M. Z. Abdullah, "Microstructure and mechanical properties of Pb-free Sn-3.0Ag-0.5Cu solder pastes added with NiO nanoparticles after reflow soldering process", Mater. Des., 90(15), 499 (2016).

상세보기
Y. Li, X. Zhao, Y. Liu, Y. Wang, and Y. Wang, "Effect of $TiO_{2}$ addition concentration on the wettability and intermetallic compounds growth of $Sn3.0Ag0.5Cu-xTiO_{2}$ nano-composite solders", J. Mater. Sci. Mater. Electron., 25(9), 3816 (2014).

상세보기
Q. J. Zhai, S. K. Guan, and Q. Y. Shang, "Alloy Thermo-Mechanism: Theory and Application", Metallurgy Industry Press, Beijing, (1999).
Y. Huang, Z. Xiu, G. Wu, Y. Tian, and P. He, "Sn-3.0Ag-0.5Cu nanocomposite solders reinforced by graphene nanosheets", J. Mater. Sci. Mater. Electron., 27(7), 6809 (2016).

상세보기
X. D. Lin, Y. D. Han, H. Jing, J. Wei, and L. Xu, "Effect of graphene nanosheets reinforcement on the performance of Sn-Ag-Cu lead-free solder", Mater. Sci. Eng. A, 562(1), 25 (2013).

상세보기
A. Fawzy, S. A. Fayek, M. Sobhy, E. Nassr, M. M. Mousa, and G. Saad, "Effect of ZnO nanoparticles addition on thermal, microstructure and tensile properties of Sn-3.5Ag-0.5Cu(SAC355) solder alloy", J. Mater. Sci. Mater. Electron., 24(9), 3210 (2013).

상세보기
D. C. Lin, S. Liu, T. M. Guo, and M. Petraroli, "An investigation of nanoparticles addition on solidification kinetics and microstructure development of tin-lead solder", Mater. Sci. Eng. A, 360(1), 285 (2003).

상세보기
L. C. Tsao and S. Y. Chang, "Effects of $nano-TiO_{2}$ additions on thermal analysis, microstructure and tensile properties of Sn3.5Ag0.25Cu solder", Mater. Des., 31(2), 990 (2010).

상세보기
Y. D. Han, S. M. L. Nai, H. Y. Jing, L. Y. Xu, C. M. Tan, and J. Wei, "Development of a Sn-Ag-Cu solder reinforced with Ni-coated carbon nanotubes", J. Mater. Sci. Mater. Electron., 22(3), 315 (2011).

상세보기
L. C. Tsao, S. Y. Chang, C. I. Lee, W. H. Sun, and C. H. Huang, "Effects of $nano-Al_{2}O_{3}$ additions on microstructure development and hardness of Sn3.5Ag0.5Cu solder", Mater. Des., 31(10), 4831 (2010).

상세보기
I. M. Lifshitz, and V. V. Slezov, "Kinetics of diffusive decomposition of supersaturated solid solutions", Soviet Phys. J. Exp. Theo. Phys., 35(8), 479 (1959).
Y. Shi, J. Luy, Y. Yan, Z. Xia, Y. Lei, F. Guo, and X.Li, "Creep properties of composite solders reinforced with nano- and microsized particles", J. Electron. Mater., 37(4), 507 (2008).

상세보기
M. Z. Yahaya, F. Ani, Z. Samsudin, S. Sahin, M. Abdullah, and A. Mohamad, "Hardness profiles of $Sn-3.0Ag-0.5Cu-TiO_{2}$ composite solder by nanoindentation", Mater. Sci. Eng. A, 699(4), 178 (2016).

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표제어: PCR

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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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