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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 유연솔더 합금을 이용하여 제작되어 오던 태양광 접속함 모듈을 무연 솔더로 대체하기 위한 접합부 실장 공정에 관한 연구를 수행하였다. 무연 솔더 실장 공정 중 인쇄 검사 시험부터 리플로우 접합공정까지 접합부의 신뢰성을 향상시키기 위한 공정 최적화 실험이 수행되었고, 이를 통해 기존에 사용되어 온 유연 솔더만큼 우수한 솔더링 및 접합강도 특성을 확보하고자 하였다. 솔더 및 표면처리 종류에 따른 솔더 페이스트 인쇄 검사, 리플로우 공정 조건에 따른 접합부 void 함량 측정 및 접합강도 시험을 통해 특성을 비교 평가하여 다음과 같은 결론이 얻어졌다.
- 본 연구에서는 기존 유연솔더 합금을 이용하여 제작되어 오던 태양광 접속함 모듈을 무연 솔더로 대체하기 위한 접합부 실장 공정에 관한 연구를 수행하였다. 무연 솔더 실장 공정 중 인쇄 검사 시험부터 리플로우 접합공정까지 접합부의 신뢰성을 향상시키기 위한 공정 최적화 실험이 수행되었고, 이를 통해 기존에 사용되어 온 유연 솔더만큼 우수한 솔더링 및 접합강도 특성을 확보하고자 하였다.
- 본 연구에서는 태양광 접속함 모듈에 사용되는 기존 유연 솔더 합금을 무연 솔더 합금으로 대체하기 위하여 2종류의 무연 솔더 합금의 공정 최적화 연구, 3종류 PCB 기판의 표면처리에 따른 솔더 접합부 특성변화를 X-ray 비파괴 검사를 이용한 접합부 void 측정 및 접합 강도를 측정하여 비교 평가하였다. 또한, 무연 솔더가 적용된 태양광 접속함 모듈의 열충격 신뢰성 시험 후 모듈의 전기 적 특성을 비교 평가하였다.
제안 방법
- 1) step 1에서는 1차와 2차의 솔더 인쇄 조건에 따른 printability를 평가하고 최적의 인쇄 조건을 찾아 솔더 3종류 및 표면처리 3종류의 void 함량 및 접합강도의 상관관계를 조사하였다. 이때 솔더 페이스트 3종류(Sn-37Pb, Sn-3.
- 2) Step 2에서는 step 1에서 도출한 최적의 솔더 페이스트 인쇄조건 및 리플로우 공정에서 2종류(SAC305, SnAg-Cu-Bi-In)의 무연 솔더 페이스트 및 3종류(OSP, ENIG, Sn-0.01P Pb-free 솔더)의 PCB 표면처리 기판계면에 있어서 void 함량 및 접합강도를 비교 평가하였다. 이때 리플 로우 최고 온도를 230, 240, 245, 250°C로 설정되도록 하였고 설정된 리플로우 온도를 Fig.
- Fig. 3의 솔더 페이스트 프린팅 체적 비교 시험 결과를 토대로 1차 인쇄 조건이 2차 인쇄 조건 보다 우수하다고 판단되어, 2012 capacitor 칩 부품을 실장하여 솔더링 접합한 후, X-ray 비파괴 검사를 수행하여 접합부 void 함량을 분석하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Fig.
- Step 2 에서는 다양한 리플로우 최고온도에 따른 void 함량 및 접합강도의 상관관계를 조사하여 최적의 리플로우 공정을 검토하였다. Step 2는 Fig.
- 2와 같이 리플로우 온도 profiler 장비(DATAPAQ, Datapaq 9000)를 사용하여 나타내었다. Step 2는 2종류의 무연 솔더를 표면처리한 3종류의 PCB기판에 Table 1의 1차 인쇄 조건으로 솔더 페이스트를 인쇄한 후 1608 capacitor을 솔더링한 뒤 void 함량 및 접합강도를 관찰하였다. 접합강도 시험 후, 파단면 및 화학조성은 실체현미경(HIROX, CX-5040RZ), 주사전 자현미경(scanning electron microscopy, SEM, FEI Inspect F)과 EDX(energy-dispersive X-ray spectroscopy)를 이용하여 분석하였다.
- Step 2는 Fig. 2와 같이 리플로우 최고점 온도, 225°C에 비하여 5°C~15°C 높은 230°C, 240°C, 245°C 및 250°C를 설정하여 실험을 진행하였다.
- Table 1과 같이 솔더 인쇄성에 가장 큰 영향을 주는 squeeze의 영향평가는 squeeze 각도를 45°와 60°조건에서 무연 솔더의 프린팅 특성을 비교 평가하였다.
- 본 연구에서는 태양광 접속함 모듈에 사용되는 기존 유연 솔더 합금을 무연 솔더 합금으로 대체하기 위하여 2종류의 무연 솔더 합금의 공정 최적화 연구, 3종류 PCB 기판의 표면처리에 따른 솔더 접합부 특성변화를 X-ray 비파괴 검사를 이용한 접합부 void 측정 및 접합 강도를 측정하여 비교 평가하였다. 또한, 무연 솔더가 적용된 태양광 접속함 모듈의 열충격 신뢰성 시험 후 모듈의 전기 적 특성을 비교 평가하였다.
- 접합강도 시험 후, 파단면 및 화학조성은 실체현미경(HIROX, CX-5040RZ), 주사전 자현미경(scanning electron microscopy, SEM, FEI Inspect F)과 EDX(energy-dispersive X-ray spectroscopy)를 이용하여 분석하였다. 또한, 무연 솔더로 실장된 태양광 접속함 모듈의 열충격 신뢰성을 시험한 후, 모듈의 전기적 특성을 비교 평가하였다. 사용된 열충격 시험 온도 조건은 -40~85°C의 조건에서 유지 시간은 각각 10분, 각 온도간 천이 시간은 5분으로 설정하였으며, 한 싸이클이 30분 유지되는 조건에서, 총 500 싸이클 동안 테스트를 실시하였다.
- 모듈의 신뢰성 시험 후 특성평가는 무연 SAC305 솔더가 적용된 태양광 접속함 모듈의 열충격 신뢰성을 시험한 후 모듈의 전기적 특성으로 비교 평가하였다. Fig.
- 본 실험에서는 Fig. 1과 같이 step 1(솔더 인쇄성 평가 시험)과 step 2(리플로우 공정 최적화 시험)의 2단계 공정으로 실험을 진행하였다.
- 사용된 열충격 시험 온도 조건은 -40~85°C의 조건에서 유지 시간은 각각 10분, 각 온도간 천이 시간은 5분으로 설정하였으며, 한 싸이클이 30분 유지되는 조건에서, 총 500 싸이클 동안 테스트를 실시하였다.
- 무연 솔더 실장 공정 중 인쇄 검사 시험부터 리플로우 접합공정까지 접합부의 신뢰성을 향상시키기 위한 공정 최적화 실험이 수행되었고, 이를 통해 기존에 사용되어 온 유연 솔더만큼 우수한 솔더링 및 접합강도 특성을 확보하고자 하였다. 솔더 및 표면처리 종류에 따른 솔더 페이스트 인쇄 검사, 리플로우 공정 조건에 따른 접합부 void 함량 측정 및 접합강도 시험을 통해 특성을 비교 평가하여 다음과 같은 결론이 얻어졌다.
- Table 1과 같이 솔더 인쇄성에 가장 큰 영향을 주는 squeeze의 영향평가는 squeeze 각도를 45°와 60°조건에서 무연 솔더의 프린팅 특성을 비교 평가하였다. 스크린 프린터 장치(휴트론, MK-878SVM)를 이용하여 솔더 페이스트를 PCB 기판에 인쇄한 후 SPI (solder paste inspector)분석 장비(Kohyoung technology, KY-3020T)를 통해 인쇄된 솔더의 체적을 측정하였다. 최적의 인쇄조건을 확보한 뒤 2012 사이즈의 capacitor 부품을 솔더 페이스트가 인쇄된 PCB 기판에 칩 마운터 장비(삼성테크윈, CP-45FV NEO)를 이용하여 마운팅하였다.
- 연속적으로 리플로우 공정에서 최고점 온도가 225°C로 설정된 리플로우 장비(Heller, 1890UL)를 이용하여 칩 부품을 실장한 뒤, X-ray 장비(XAVIS, XSCAN-H160-OCT) 및 접합강도 장비(Nordson, DAGE-4000)를 이용하여 접합부 void 함량 및 접합강도를 비교 평가하였다.
- 사용된 열충격 시험 온도 조건은 -40~85°C의 조건에서 유지 시간은 각각 10분, 각 온도간 천이 시간은 5분으로 설정하였으며, 한 싸이클이 30분 유지되는 조건에서, 총 500 싸이클 동안 테스트를 실시하였다. 열충격 신뢰성 시험 후, 총 5개의 태양광 접속함 모듈을 8A의 입력 전류만큼 인가하여 출력 전류의 변화를 측정하여 모듈의 전기적 특성을 비교 평가하였다.
- 이때 리플 로우 최고 온도를 230, 240, 245, 250°C로 설정되도록 하였고 설정된 리플로우 온도를 Fig. 2와 같이 리플로우 온도 profiler 장비(DATAPAQ, Datapaq 9000)를 사용하여 나타내었다.
- 1) step 1에서는 1차와 2차의 솔더 인쇄 조건에 따른 printability를 평가하고 최적의 인쇄 조건을 찾아 솔더 3종류 및 표면처리 3종류의 void 함량 및 접합강도의 상관관계를 조사하였다. 이때 솔더 페이스트 3종류(Sn-37Pb, Sn-3.0Ag-0.5Cu 및 Sn-1.0Ag-0.7Cu-1.6Bi-0.2In)와 PCB 전극의 표면처리 3종류(OSP, ENIG, Sn-0.01P)를 사용하여 그 특성을 평가하였다. Table 1과 같이 솔더 인쇄성에 가장 큰 영향을 주는 squeeze의 영향평가는 squeeze 각도를 45°와 60°조건에서 무연 솔더의 프린팅 특성을 비교 평가하였다.
- Step 2는 2종류의 무연 솔더를 표면처리한 3종류의 PCB기판에 Table 1의 1차 인쇄 조건으로 솔더 페이스트를 인쇄한 후 1608 capacitor을 솔더링한 뒤 void 함량 및 접합강도를 관찰하였다. 접합강도 시험 후, 파단면 및 화학조성은 실체현미경(HIROX, CX-5040RZ), 주사전 자현미경(scanning electron microscopy, SEM, FEI Inspect F)과 EDX(energy-dispersive X-ray spectroscopy)를 이용하여 분석하였다. 또한, 무연 솔더로 실장된 태양광 접속함 모듈의 열충격 신뢰성을 시험한 후, 모듈의 전기적 특성을 비교 평가하였다.
- 스크린 프린터 장치(휴트론, MK-878SVM)를 이용하여 솔더 페이스트를 PCB 기판에 인쇄한 후 SPI (solder paste inspector)분석 장비(Kohyoung technology, KY-3020T)를 통해 인쇄된 솔더의 체적을 측정하였다. 최적의 인쇄조건을 확보한 뒤 2012 사이즈의 capacitor 부품을 솔더 페이스트가 인쇄된 PCB 기판에 칩 마운터 장비(삼성테크윈, CP-45FV NEO)를 이용하여 마운팅하였다. 연속적으로 리플로우 공정에서 최고점 온도가 225°C로 설정된 리플로우 장비(Heller, 1890UL)를 이용하여 칩 부품을 실장한 뒤, X-ray 장비(XAVIS, XSCAN-H160-OCT) 및 접합강도 장비(Nordson, DAGE-4000)를 이용하여 접합부 void 함량 및 접합강도를 비교 평가하였다.
성능/효과
- 왼쪽 패드의 파단면에서는 Cu, Ni 및 Sn성분이 분석되었고, 오른쪽 패드의 파단면에서는 Sn 및 IMC가 주로 관찰되었다. 즉, 실체현미경 이미지인 (a)은 (Ni,Cu)3Sn4 IMC 부분, 연한 주황색 부분은 칩 부품의 Cu 전극이며, Cu 전극 밑에 Ni층이 존재하고, 연한 회색 부분은 솔더 합금의 Sn성분으로 확인되었다. 전체적으로 본 연구에서 평가된 대부 분의 시험편에서는 Fig.
- -40~85°C의 조건에서 총 500 싸이클의 열충격 시험 후 입력전류(8A) 범위내에서 출력전류의 변화를 측정한 결과, 무연 솔더로 제작된 5개의 접속함 모듈시편에서 장기적인 열충격시험 이후에도 인가전류 대비 출력전류 변화율이 0.3% 미만의 매우 안정적인 작동을 확인하였다.
- 1차인쇄 조건과 2차 인쇄조건의 차이는 squeeze의 각도 차이로 발생하였다. Fig. 3과 같이 전체적으로 무연 솔더 2종류는 Sn-Pb인 유연 솔더에 비하여 상대적으로 프린팅 체적이 다소 증가하였고 2종류의 무연 솔더 중에서도 SAC305 솔더가 Sn-Ag-Cu-Bi-In 솔더에 비하여 프린팅 체적이 증가하였다. 기존에 사용되던 Sn-Pb 유연 솔더와 비교하였을 때, 본 실험에 사용된 무연 솔더 2종류의 프린팅 체적에 기반한 인쇄특성은 동등이상의 특성이 관찰되므로 무연 솔더 적용으로 인한 나쁜 인쇄특성은 없었다.
- Fig. 4와 5에서 알 수 있듯이 Sn-Pb 솔더와 SAC305 솔더의 접합강도를 비교해볼 때 접합계면에 void 함량이 적은 Sn-Pb 솔더 접합부의 접합강도가 비교적 높고, SAC305 솔더 접합강도는 void 함량이 증가할수록 접합강도는 감소함을 확인할 수 있었다. 하지만 Sn-Ag-Cu-Bi-In 솔더 및 OSP 표면처리된 기판의 접합강도는 높은 void 함량에도 불구하고 안정적인 강도 값을 나타내었다.
- 11) 본 연구에서 Sn-Ag-Cu-Bi-In 솔더 접합부에서 관찰된 보다 많은 void 함량의 경우, 그 이유는 정확하지 않으나 솔더 합금의 고상선(211°C)과 액상선(222°C)의 보다 넓은 고/액공존 범위 및 OSP 표면처리와의 계면반응의 차이 등에 기인한 것으로 사료된다. Sn-Pb 솔더의 경우, 모든 표면처리 조건에서 2% 이하의 void가 관찰되어 우수한 특성을 보였으며, 표면처리 조건에 있어서는 ENIG 및 Pb-free 솔더 표면처리 조건이 솔더 종류에 상관없이 2% 이하의 낮은 void 함량을 가지는 것으로 관찰되었다.
- a) 솔더 인쇄 검사 시험 결과, 표면처리에 따른 인쇄체 적의 차이는 큰 변화가 없었으며, 사용된 솔더 합금에 따라 인쇄체적이 SAC305 > Sn-Ag-Cu-Bi-In > SnPb 순으로 증가하였다.
- b) 인쇄된 체적은 squeeze 각도가 45°일 때가 60°에 비하여 상대적으로 증가하였다.
- c) 접합부내 void 함량이 6% 이하의 범위 내에서는 2~4%정도의 함량차이는 존재하였지만 이러한 차이가 접합강도에 큰 영향은 미치지 않았으며, 안정된 접합강도를 유지하였다.
- d) 유연 솔더는 무연 솔더에 비하여 인쇄특성이 다소 나쁘지만 void 함량은 적고, 접합강도는 우수하였다.
- e) 솔더의 종류와 관계없이 솔더 접합부내 void 함량은 거의 동등하였으며, 표면처리에 있어서는 ENIG 표면처리 접합부에서 가장 낮게 관찰되었고, Sn-0.01%P, OSP 순으로 void 함량이 증가하였다. 또한, 230°C OSP 표면처리한 접합부 내의 void 함량은 6%가 가장 높고, 리플로우 최고점 온도가 높아질수록 void 함량은 감소하였다.
- g) SAC305 무연 솔더가 적용된 모듈의 500 싸이클 열충격 신뢰성 시험 후, 전류변화율은 0.3% 미만으로 우수한 장기 신뢰성을 가졌다.
- 또한 Fig. 6과 같이 솔더 접합부에서 측정된 void 함량이 230°C의 리플로우 온도 및 OSP 표면처리에서 다소 높게 관찰되었지만, 접합부내에 잔존하는 3~4% void 함량의 변화가 칩 부품의 접합강도의 감소에 미치는 영향은 매우 적었다.
- 또한, 230°C OSP 표면처리한 접합부 내의 void 함량은 6%가 가장 높고, 리플로우 최고점 온도가 높아질수록 void 함량은 감소하였다.
- 본 연구에서 무연 솔더의 경우, 리플 로우 공정 중 칩과 기판에 가해지는 실측온도가 240°C 이 상일 경우 모든 표면처리에서 약 3% 미만의 안정된 접합부 void 함량이 관찰되었다.
- 하지만 Sn-Ag-Cu-Bi-In 솔더 및 OSP 표면처리된 기판의 접합강도는 높은 void 함량에도 불구하고 안정적인 강도 값을 나타내었다. 본 연구에서, Sn-Pb 솔더의 인쇄 체적은 상대적으로 적었지만 표면처리된 모든 기판과의 솔더 접합에서 낮은 void 함량을 나타내면서 접합강도에서도 우수한 특성을 보였다. 2종류의 무연 솔더 합금도 표면처리에 따라 약간씩의 편차가 존재하지만 Sn-Pb와 유사한 값을 나타내었다.
- 6에 리플로우 공정 조건 변화에 따른 접합부내 void 함량을 솔더 및 표면처리 종류 변화와 같이 나타내었다. 사용된 무연 솔더의 종류에 상관 없이 void 함량은 안정 적으로 관찰되었지만 리플로우 온도가 높아질수록 솔더 접합부내에 형성된 void 함량은 감소하는 경향을 보였다. 표면처리에 따른 접합부 void 함량 변화는 ENIG 표면처리된 솔더 접합부에서 가장 낮게 관찰되었고, 그 다음으로는 Pb-free 솔더 및 OSP 표면처리 순으로 void 함량이 증가하였다.
- 8은 1608 capacitor 칩 부품을 기판에 접합한 후, 사용된 무연 솔더, 표면처리 및 리플로우 접합 온도별 접합 강도를 나타내었다. 상대적으로 OSP 및 Pb-free 솔더 표면처리된 솔더 접합부에 비하여 ENIG 표면처리된 접합 강도가 가장 높게 관찰되었다. 이러한 경향은 타 연구자13,15,16) 의 연구결과와 같이 무연 솔더의 접합강도는 ENIG 표면처리일 경우가 가장 우수하다는 보고와 일치하였다.
- 5에 나타내었다. 전체적으로 유연 솔더의 접합강도는 무연 솔더 합금들에 비해 상대적으로 높은 접합강도 값을 나타내었다.
- 2종류의 무연 솔더 합금도 표면처리에 따라 약간씩의 편차가 존재하지만 Sn-Pb와 유사한 값을 나타내었다. 타 연구자의 실험 결과 및 본 실험 결과를 비교 평가해 볼 때, 전반 적으로 본 연구에서 사용된 2종류의 무연 솔더 합금의 특성은 종래의 유연 솔더와 동등한 수준의 특성을 보이는 것으로 판단되어 무연 솔더로 대체 가능한 것으로 사료 된다.6-9,14)
- 사용된 무연 솔더의 종류에 상관 없이 void 함량은 안정 적으로 관찰되었지만 리플로우 온도가 높아질수록 솔더 접합부내에 형성된 void 함량은 감소하는 경향을 보였다. 표면처리에 따른 접합부 void 함량 변화는 ENIG 표면처리된 솔더 접합부에서 가장 낮게 관찰되었고, 그 다음으로는 Pb-free 솔더 및 OSP 표면처리 순으로 void 함량이 증가하였다. 특히 230°C의 리플로우 온도 및 OSP 표면처리의 경우, 솔더 종류와 상관 없이 상대적으로 약간 높은 void 함량을 보였다.
후속연구
- 2,5) 따라서, 글로벌 태양광 시장에 진출하기 위해서는, 접속함 모듈 생산에 있어서 기존에 사용해 온 유연 솔더를 무연 솔더와 같은 친환경 소재로 대체하고 공정 기술을 개발하여 접합강도 향상 및 고 신뢰성에 관한 연구 개발이 필요하다.6-9) 동시에 다양한 최적 무연 솔더 합금개발, 기판의 표면처리, 접합공정 조건의 최적화를 통한 친환경 태양광 접속함 모듈 개발이 요구된다.
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