[논문]OSP 표면처리된 FR-4 PCB기판과 Sn58%Bi 복합솔더 접합부의 미세조직 및 접합강도에 미치는 Sn-MWCNT의 영향

박현준; 이충재; 민경득; 정승부

doi:10.6117/kmeps.2019.26.4.163

OSP 표면처리된 FR-4 PCB기판과 Sn58%Bi 복합솔더 접합부의 미세조직 및 접합강도에 미치는 Sn-MWCNT의 영향
Effect of Sn Decorated MWCNT Particle on Microstructures and Bonding Strengths of the OSP Surface Finished FR-4 Components Assembled with Sn58%Bi Composite Solder Joints 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.4, 2019년, pp.163 - 169

박현준 (성균관대학교 신소재공학과) , 이충재 (성균관대학교 신소재공학과) , 민경득 (성균관대학교 신소재공학과) , 정승부 (성균관대학교 신소재공학과)

초록
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전자제품에서 사용되던 Sn-Pb계 솔더합금은 RoHS, WEEE, REACH 등의 환경규제에 의해 무연솔더합금(Pb free solder alloy)으로 빠르게 대체되고 있다. 그 중에서도 Sn58%Bi(in wt.%) 합금은 융점이 낮고 Sn-Pb계 합금에 비해 기계적특성이 우수하여, 전자제품 솔더합금으로 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그러나 Sn58%Bi 솔더합금은 구성 원소인 Bi의 취성으로 인해 기계적인 신뢰성이 저하되는 문제를 개선할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 함량의 Sn-MWCNT (multiwalled carbon nanotube) 입자를 첨가한 Sn58%Bi 복합솔더를 제조한 후, OSP처리된 FR-4 기판 및 FR-4 컴포넌트를 리플로우(reflow) 횟수를 1회부터 7회까지 진행하였다. 접합시편의 접합강도 및 파괴에너지는 전단시험(die shear test)을 통해 측정하였고, 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)으로 미세조직 및 파괴모드를 분석하였다. Sn-MWCNT 첨가에 의해 Sn58%Bi 복합솔더 접합부에서 조직 미세화가 관찰되었고, 함량이 0.1 wt.%일때 접합강도와 파괴에너지는 각각 20.4%, 15.4% 만큼 증가하였다. 또한 파단면에서 연성파괴(ductile failure) 영역이 관찰되었으며, F-x(force-displacement to failure) 그래프를 통해 Sn-MWCNT의 첨가가 복합솔더의 연성(ductility)을 증가시킨 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sn-Pb solder alloys in electronics rapidly has been replaced to Pb free solder alloys because of various environmental regulations such as restriction of hazardous substances directive (RoHS), European Union waste electrical, waste electrical and electronic equipment (WEEE), registration evaluation authorization and of chemicals (REACH) etc. Because Sn58%Bi (in wt.%) solder alloy has low melting point and higher mechanical properties than that of Sn-Pb solder, it has been studied to manufacture electronic components. However, the reliability of Sn58%Bi solder could be lowered because of the brittleness of Bi element included in the solder alloy. Therefore, we observed the microstructures of Sn58%Bi composite solders with various contents of Sn-decorated multiwalled carbon nanotube (Sn-MWCNT) particles and evaluated bonding strength of the FR-4 components assembled with Sn58%Bi composite solder. Also, microstructures and bonding strengths of the Sn58%Bi composite solder joints were evaluated with the number of reflows from 1 to 7 times, respectively. Bonding strengths and fracture energies of the Sn58%Bi composite solder joints were measured by die shear test. Microstructures and fracture modes were observed with scanning electron microscope (SEM). Microstructures in the Sn58%Bi composite solder joints were finer than that of only Sn58%Bi solder joint. Bonding strength and fracture energy of Sn58%Bi composite solder including 0.1 wt.% of Sn-decorated MWCNT particles increased up to 20.4% and 15.4% at 5 times in reflow, respectively.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic diagrams of the manufacture flow of test kit; (a) screen printing and reflow process and (b) die shear test method.
그림 Fig. 2. SEM micrographs of Sn58%Bi solder; (a) cross sectional microstructure and (b) top view IMC morphology of Sn58%Bi composite solder joint.
그림 Fig. 3. IMC thickness in Sn58%Bi composite solder joints with contents of Sn-MWCNT particle after reflow process from 1 to 7 times.
그림 Fig. 4. SEM micrographs shows microstructures of Sn58%Bi composite solder joints with contents of Sn-MWCNT particles; (a) 0 wt.% (b) 0.1 wt.%.
그림 Fig. 5. Bonding strength of Sn58%Bi composite solder joints with contents of Sn-MWCNT particles and numbers of reflows.
$Fig. 6. (a) F-X (Force-Displacement to failure) curve after 5 times reflow, and (b) fracture energy of Sn58%Bi composite solder joints with contents of Sn-MWCNT particles and numbers of reflows.$ 그림 Fig. 6. (a) F-X (Force-Displacement to failure) curve after 5 times reflow, and (b) fracture energy of Sn58%Bi composite solder joints with contents of Sn-MWCNT particles and numbers of reflows.
그림 Fig. 7. Fracture surfaces of Sn58%Bi composite solder joints with content of Sn-MWCNT particles; (a) 0 wt.%, (b) 0.05 wt.%, (c) 0.1 wt.%, (d) 0.2 wt.%.
$Fig. 8. SEM micrograph shows Sn-MWCNT particles tangled at fracture surface.$ 그림 Fig. 8. SEM micrograph shows Sn-MWCNT particles tangled at fracture surface.

AI 본문요약
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제안 방법

% 이하일 때 크랙의 전파를 방해하여 Sn58%Bi 복합솔더 접합부의 연성(ductility)을 향상시켰 음을 확인하였다.
리플로우 횟수를 1회에서 7회까지 진행하면서 복합솔더 접합부의 접합강도와 파단에너지를 구하고, 파괴 모드를 분석하여 아래와 같은 결론을 얻었다.
본 실험에서는 Cu 전극이 OSP(organic solderability preservative)로 표면처리된 FR-4 PCB기판 및 FR-4 컴포넌 트를 상, 하부에 배치하고 Sn-MWCNT가 첨가된 Sn58%Bi 복합솔더로 접합하여 시편을 제작한 후, 접합부의 미세 조직과 접합강도를 평가하였다.
이때, 리플로우 횟수가 복합솔더 접합부의 미세조직 및 접합강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 1, 2, 3, 5, 7회로 리플로 우를 시행하였으며 리플로우 후 솔더볼의 직경은 약 420 μm였다.
전단시험 후에는 F-x(force-displacement) curve 그래프로 부터 파괴에너지를 계산하였으며, 파단면을 SEM으로 관찰하여 솔더 접합부의 파괴모드 및 미세조직을 분석하였다.
제작한 시편을 활용하여 Sn58%Bi 복합솔더 접합부의 미세조직을 관찰하고 접합 강도를 평가하였으며, 동시에 리플로우 횟수가 접합부의 미세조직과 접합강도에 미치는 영향도 함께 검토하였다.
따라서, Lin 등은10) TiO2 나노분말을 솔더합금의 제 2의강화상(reinforcement)으로 첨가하여 SnPb 솔더합금의 조직 미세화로 경도를 향상시켰고, Hu 등은 11) Sn58%Bi(in wt.%)에 Al2O3 를 첨가하여 기계적특성 및 electromigration의 거동을 검토하였다.
리플로우 공정 후에 SEM(SU8010, Hitachi Co, Japan)를이용하여 접합부의 미세조직을 관찰하였고, 전단시험장비(Dage 4000 PXY, DAGE Co, England)를 이용하여 접합 강도를 평가하였다.
본 실험에서는 Sn58%Bi 및 Sn-MWCNT 분말과 상용 플럭스(CVP-520, Alpha Inc, Korea)를 페이스트 믹서기 (ARE-310, Thinky Co, Japan)를 사용해 기계적으로 교반 하여 Sn58%Bi 복합솔더 페이스트를 제조하였으며, SnMWCNT가 복합솔더 접합부의 미세조직 및 접합강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 0, 0.05, 0.1, 0.2 wt.
본 연구에서는 OSP처리된 FR-4 PCB기판 및 FR-4 컴포넌트를 Sn-MWCNT를 첨가한 Sn58%Bi 복합솔더로 접합한 뒤 접합부의 미세조직 관찰하고, 접합강도를 평가 하였다.
본 연구에서는 다양한 함량의 Sn-MWCNT를 첨가한 Sn58%Bi 복합솔더를 제조한 후, FR-4 PCB(printed circuit board) 기판 및 FR-4 컴포넌트(component)를 사용하여 복합솔더 접합시편을 제작하였다.

성능/효과

% 이상인 Sn58%Bi 복합솔더 접합부의 파단면에서 MWCNT의 aggregation 및 void가주로 관찰되었으며, 다른 복합솔더 접합부에 비해 낮은 접합강도 및 파괴에너지를 나타내었다.
또한, 리플로우 횟수가 5회가 될 때까지 접합강도는 증가하고 7회의 리플 로우 후의 복합솔더 접합부는 과도한 IMC의 성장으로 인수가 증가할수록 0.45 µm에서 1.93 µm까지 증가하였으며, 리플로우 공정이 반복될 때 솔더합금은 재용융되지만 IMC의 융점은 공정온도보다 훨씬 높아 재용융이 이루어지지 않고 용융된 복합솔더와 IMC사이의 반응확산 (reaction diffusion)으로 성장한다.
또한, 리플로우 횟수가 5회가 될 때까지 접합강도는 증가하고 7회의 리플 로우 후의 복합솔더 접합부는 과도한 IMC의 성장으로 인해 오히려 접합강도가 감소하였다.
2) Sn-MWCNT는 Sn rich 상에 주로 존재하여 Sn58%Bi복합솔더의 결정립을 미세화시켰고, 접합강도 및 파괴에너지는 각각 65 MPa, 262 mJ까지 증가하였다.
4) Sn-MWCNT가 첨가되지 않은 Sn58%Bi 솔더 접합부 에서는 취성파괴가 주로 발생하고, 복합솔더의 파단면에 서는 일부 영역에서 연성파괴가 관찰되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	솔더합금이란?	솔더합금(Solder alloy)은 전자부품들을 기계적으로 연결하고 전기적인 신호를 전달하는 역할을 하기 때문에 전자패키징 기술에서 필수적인 핵심소재이다. 종래의 솔더 합금으로는 SnPb계 합금이 우수한 젖음성과 낮은 융점 그리고 저렴한 가격 때문에 가장 널리 사용되었다.
	CNT의 분류는 어떻게 되는가?	CNT는 1991년 Iijima 등에 15) 의해 발견된 탄소의 동소 체로 원기둥 형태의 나노구조이며, 벽의 결합 숫자에 따라 단중벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube, SWCNT)과 다중벽 탄소나노튜브(multi walled carbon nanotube, MWCNT)로 분류된다. MWCNT는 최근 대량 생산기술의 확보로 인해 가격이 저렴하여 복합솔더 (composite solder)의 제조에서 강화상으로 사용될 수 있는 가능성을 높였다.
	솔더합금과 MWCNT를 이용하여 복합솔더를 제조할 때 발생하는 문제점은?	14,16,17) 그러나, 솔더합금과 MWCNT 는 화학적, 물리적 물성차이가 존재하므로 복합솔더를 제조할 때 다양한 문제점이 발생한다. 예를 들어, MWCNT 와 솔더합금은 화학적으로 결합하지 않기 때문에 약한 원자 간의 힘인 Van der Waals 힘으로 결합이 유지될 뿐만 아니라, 18) 두 재료 간의 밀도차이로 인하여 솔더내부에 MWCNT 입자를 균일하게 분산하는 것이 매우 어렵다.

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저자의 다른 논문 :

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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