[논문]그래핀 산화 분말을 첨가한 플렉시블 기판 솔더 접합부의 반복 굽힘 신뢰성 향상

고용호; 유동열; 손준혁; 방정환; 김택수

doi:10.6117/kmeps.2019.26.3.043

그래핀 산화 분말을 첨가한 플렉시블 기판 솔더 접합부의 반복 굽힘 신뢰성 향상
Improving Joint Reliability of Lead-free Solder on Flexible Substrate under Cyclic Bending by Adding Graphene Oxide Powder 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.3, 2019년, pp.43 - 49

고용호 (한국생산기술연구원 용접접합그룹) , 유동열 (한국생산기술연구원 용접접합그룹) , 손준혁 (한국생산기술연구원 용접접합그룹) , 방정환 (한국생산기술연구원 용접접합그룹) , 김택수 (한국과학기술원 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 그래핀 산화(graphene oxide, GO) 분말 복합 Sn-3.0Ag-0.5Cu(in wt.%) 솔더페이스트를 이용한 플렉시블 기판과 SOP(small outline package) 사이의 솔더 접합부의 굽힘 신뢰성 향상에 관한 새로운 접근을 제안하였다. 솔더페이스트에 GO의 첨가는 녹는점에 약간의 영향을 미치었으나 그 차이는 미미한 것으로 나타났다. 한편, GO의 첨가는 리플로우 공정 동안 솔더 접합부의 금속간화합물(intermetallic compound, IMC) 성장과 두께를 억제 할 수 있음을 확인하였다. 더욱이 접합부의 신뢰성에 미치는 영향을 살펴보고자 반복 굽힘 시험을 진행하였으며 GO 분말의 첨가로 솔더 접합부의 반복 굽힘 신뢰성 향상 시킬 수 있었다. 0.2 wt.%의 GO가 첨가된 솔더 접합부의 경우 GO가 첨가되지 않은 경우에 비하여 굽힘 수명은 20% 가량 증가하는 것으로 나타났다. GO가 첨가된 경우 솔더 접합부의 인장 강도와 연성이 증가하게 나타났는데 이러한 GO 첨가에 의한 기계적 특성 향상이 솔더 접합부의 반복 굽힘 신뢰성 향상에 기여한 것으로 추측된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a new approach using graphene oxide (GO) powder-composited Sn-3.0Ag-0.5Cu(in wt.%) solder paste for improving the bending reliability of solder joints between a flexible substrate and small outline package (SOP) was suggested. The GO addition slightly affected the melting temperature, however, the change in the melting temperature was not significant. Meanwhile, we observed the addition of GO could suppress IMC growth and IMC thickness of solder joint during the reflow process. Moreover, the cyclic bending test was also performed for evaluation of reliability in solder joint and we could improve the cyclic bending reliability of solder joint by adding GO powders. For 0.2 wt.% of GO added to the solder joint, the bending lifetime was increased to 20% greater than that without GO. Pull strength and ductility of the solder joint with GO were also higher than those of the joint without GO and it was assumed that this effect by adding GO could contribute to improve cyclic bending reliability of solder joint.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Bending test machine using an x-axis moving stage.
그림 Fig. 2. DSC results for (a) G0, (b) G0.1, and (c) G0.2.
표 Table 1. Compositions of fabricated GO-composited solder pastes.
그림 Fig. 3. Cross-sectional images of solder joint with the addition of GO.
그림 Fig. 4. Changes of IMC thickness with GO addition: (a) substrate side and (b) SOP side.
그림 Fig. 5. Changes of electrical resistance during bending test: (a)increased by 20%, (b) increased by 50%, and (c) increased by 100%.
그림 Fig. 6. Weibull plots of bending reliability: (a) G0, (b) G0.1, and (c) G0.2.
표 Table 2. Results of Weibull plots.
그림 Fig. 7. Cross-sectional images of failure loci in solder joint after bending test: (a) G0 after resistance increased by 20%, (b) G0.2 after resistance increased by 20%, (c) G0.1 after resistance increased by 50%, and (d) G0.2 after resistance increased by 50%.
그림 Fig. 8. Pull test results: (a) pull strength and (b) strength-displacement curve.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 현재 산업적으로 많이 사용되고 있는 Sn-3.0Ag-0.5Cu(in wt.%) 솔더페이스트에 GO 분말을 첨가하여 PI 기반의 플렉시블 기판과 small outline package(SOP) 부품을 리플로우 공정을 이용하여 실장 및 접합한 후 기존의 굽힘 시험 방법이 아닌 한 축 변위 이동 반복 굽힘 시험을 통하여 GO 분말의 첨가가 솔더 접합부 신뢰성에 미치는 영향을 살펴 보았다.

제안 방법

GO를 첨가한 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더페이스트 제조를 위하여 먼저 20~38 µm 직경을 가지는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더합금 분말과 GO 분말을 약 30분 동안 100 revolutions per minute(RPM)으로 혼합하였다.
제조된 복합 솔더페이스트를 이용하여 SOP와 PI 기반의 연성 플렉시블 기판을 리플로우 공정을 통하여 접합하였다. SOP 리드의 표면처리는 Sn이었으며 기판 패드부는 Cu 위에 organic solderability preservative(OSP) 표면처리 되었다. 리플로우 공정 조건은 Sn-3.
5Cu 솔더합금 분말과 GO 분말을 약 30분 동안 100 revolutions per minute(RPM)으로 혼합하였다. 그 후 300~400 RPM으로 공자전 믹서를 이용하여 약 5분간 파우더 재 혼합을 진행하여 복합 솔더 분말을 제조하였다. 복합 솔더 분말을 제조 한 후 플럭스를 첨가하고 600~800 RPM으로 약 5분간 플럭스와 복합 분말을 혼합하여 GO 복합 솔더페이스트를 제조 하였다.
5Cu의 녹는점인 217℃ 이상에서 약 50초 유지 하되 최대 온도는 약 250 ℃의 조건으로 N₂ 분위기에서 진행하였다. 기판과 SOP 접합부에는 daisy-chain을 구성하여 반복 굽힘 시험 전후에 저항을 측정할 수 있도록 하였고 저항 측정을 통하여 접합부의 파괴 유무를 판단 하였다.
따라서, GO의 첨가가 솔더 소재의 기계적 특성에 미치는 영향을 살펴보고자 SOP 리드 솔더 접합부에 대하여 인장 강도 시험을 진행하였고 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. Fig.
1에 본 연구에 사용된 반복 굽힘 시험 장치와 시험 모습을 나타내었다. 또한 접합부의 기계적 특성을 평가하기 위하여 접합된 SOP 리드의 인장 시험을 진행하였다. 접합부에 대한 인장시험은 45° 방향, 인장 속도 200 µm/s의 조건으로 인장력을 가하여 최대 인장 강도 등을 평가 하였다.
리플로우 공정 후에 SOP와 플렉시블 기판의 접합부에 대한 반복 굽힘 시험을 진행하였다. 반복 굽힘 시험은 한 축에서 변위 이동을 가하여 굽힘이 가해 지도록 하였으며 중앙 변위가 18 mm가 되게 하고 0.
리플로우 공정 후에 SOP와 플렉시블 기판의 접합부에 대한 반복 굽힘 시험을 진행하였다. 반복 굽힘 시험은 한 축에서 변위 이동을 가하여 굽힘이 가해 지도록 하였으며 중앙 변위가 18 mm가 되게 하고 0.17 Hz의 속도로 반복 굽힘을 가하였다. Fig.
그 후 300~400 RPM으로 공자전 믹서를 이용하여 약 5분간 파우더 재 혼합을 진행하여 복합 솔더 분말을 제조하였다. 복합 솔더 분말을 제조 한 후 플럭스를 첨가하고 600~800 RPM으로 약 5분간 플럭스와 복합 분말을 혼합하여 GO 복합 솔더페이스트를 제조 하였다. 이 때 플럭스의 함량은 13 wt.
본 연구에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 분말과 GO 분말, 플럭스 등을 혼합하여 GO가 첨가된 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더페이스트를 제조하고 제조 된 솔더페이스트를 이용하여 SOP와 연성 플렉시블 기판을 리플로우 공정을 통하여 접합 하였다. 접합 후에 GO의 첨가가 솔더 접합부의 IMC 형성 등에 미치는 영향과 반복 굽힘 신뢰성에 미치는 영향을 살펴보았다.
5Cu 솔더페이스트를 제조하고 제조 된 솔더페이스트를 이용하여 SOP와 연성 플렉시블 기판을 리플로우 공정을 통하여 접합 하였다. 접합 후에 GO의 첨가가 솔더 접합부의 IMC 형성 등에 미치는 영향과 반복 굽힘 신뢰성에 미치는 영향을 살펴보았다. GO의 첨가는 접합부 IMC의 형상에는 큰 영향을 미치지 않았으나 IMC의 두께는 GO의 첨가량이 증가할수록 감소함을 확인 할 수 있었다.
접합부에 대한 인장시험은 45° 방향, 인장 속도 200 µm/s의 조건으로 인장력을 가하여 최대 인장 강도 등을 평가 하였다.
제조된 복합 솔더페이스트를 이용하여 SOP와 PI 기반의 연성 플렉시블 기판을 리플로우 공정을 통하여 접합하였다. SOP 리드의 표면처리는 Sn이었으며 기판 패드부는 Cu 위에 organic solderability preservative(OSP) 표면처리 되었다.
제조된 각 각의 솔더페이스트의 성분은 Table 1과 같다. 제조된 솔더페이스트를 리플로우 공정에 적용하기에 앞서 GO의 첨가가 녹는점 변화에 미치는 영향을 알아보기 위하여 승온 속도를 5 ℃/min로 하여 differential scanning calorimeter(DSC; Q100; TA Instruments) 분석을 진행 하였다.
한편 리플로우 직후 GO의 첨가가 계면 반응에 미치는 영향과 반복 굽힘 후 파단 위치 등을 분석하기 위하여 field-emission scanning electron microscopy(FE-SEM; Inspect F, FEI) and energy-dispersive X-ray spectroscopy(EDS; Thermo Electron Co.)을 이용하여 단면 분석을 진행하였다.

성능/효과

2 wt.% 첨가되는 경우 IMC의 두께는 약 20% 정도 감소함을 확인 할 수 있었다. 이와 관련하여 기존의 연구에서 GNS가 첨가되는 경우 금속 원자의 확산을 방해하여 IMC의 성장이 억제된다고 보고된 바 있다.
2 wt.%가 첨가 된 접합부의 경우 GO가 첨가되지 않은 접합부 보다 약 20%의 수명이 증가하는 것으로 확인되었다.
8에 나타내었다. Fig. 8에서와 같이 GO 첨가량이 증가함에 따라 접합부의 인장 강도가 증가하였고 strength-displacement를 비교하였을 때 연성 특성도 GO가 첨가 됨에 따라 향상 된 것을 확인 할 수 있었다. 기존의 연구에서 Liu 등은²²⁾ 솔더 합금에 GNS의 첨가는 인장 강도 특성을 향상 시킬 수 있다고 보고한바 있다.
GO 분말이 첨가 여부와 상관 없이 SOP와 기판의 양쪽 계면에서 scallop 형태의 Cu6Sn5 IMC가 확인 되었다.
접합 후에 GO의 첨가가 솔더 접합부의 IMC 형성 등에 미치는 영향과 반복 굽힘 신뢰성에 미치는 영향을 살펴보았다. GO의 첨가는 접합부 IMC의 형상에는 큰 영향을 미치지 않았으나 IMC의 두께는 GO의 첨가량이 증가할수록 감소함을 확인 할 수 있었다. 또한 반복 굽힘 시험의 경우 GO가 첨가 된 경우 GO가 첨가되지 않은 경우에 비하여 약 20% 정도의 수명이 증가함을 확인 할 수 있었다.
GO 분말이 첨가 여부와 상관 없이 SOP와 기판의 양쪽 계면에서 scallop 형태의 Cu₆Sn₅ IMC가 확인 되었다. 단면 분석의 결과를 볼 때 GO의 첨가는 리플로우 공정 동안 계면 반응으로 인해 IMC를 형성할 때 IMC 형상에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 생각된다. 한편 리플로우 공정 후 계면에 형성된 IMC의 두께를 Fig.
GO의 첨가는 접합부 IMC의 형상에는 큰 영향을 미치지 않았으나 IMC의 두께는 GO의 첨가량이 증가할수록 감소함을 확인 할 수 있었다. 또한 반복 굽힘 시험의 경우 GO가 첨가 된 경우 GO가 첨가되지 않은 경우에 비하여 약 20% 정도의 수명이 증가함을 확인 할 수 있었다. GO가 첨가된 경우 인장 강도 결과 강도와 변형율이 모두 증가함을 확인 할 수 있었는데 이러한 접합부의 기계적 강도 증가가 반복 굽힘 신뢰성의 향상을 가져온 것으로 추측된다.
7에 반복 굽힘 시험 후 파단이 진행되는 위치를 확인한 결과를 나타내었다. 반복 굽힘 후 파단은 솔더 접합부의 필렛 중앙 부분에서 시작하여 솔더 내부를 진행 한 후 기판 패드로 전파 됨을 확인 할 수 있었다. 이전의 연구에서^{²⁶⁾ 또한 Ma 등도²⁵⁾ GNS의 첨가는 솔더 접합부에서 IMC의 형성을 억제한다고 보고 하였다. 본 연구에도 이전의 연구결과와 유사하게 GO가 첨가된 경우 SOP 및 기판 계면에서의 IMC 성장이 억제됨을 확인 할 수 있었다.}
앞서 서술한 바와 같이 와이블 분포와 수명은 초기 저항 대비 저항 증가가 20% 이상 되는 시점의 cycle을 기준으로 하였다. 수명 평가 결과 GO가 첨가되는 경우 플렉시블 기판과 SOP 접합부의 반복 굽힘에 대한 수명이 증가 하는 것으로 나타났다. 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	솔더페이스트 타입의 소재는 무엇으로 구성되는가?	SMT 공정에서는 소자 및 패키지들이 솔더볼, 솔더크림, 솔더페이스트 타입의 솔더 소재를 이용하여 기판과 접합하게 된다.18) 이러한 솔더 소재 중에 솔더페이스트 타입의 소재는 솔더 합금 분말과 플럭스로 구성되는데13) 솔더링을 위한 리플로우 공정 동안에 플럭스는 산화막 제거 등의 역할을 수행하고 솔더 합금 분말이 용융 및 고체화 되면서 각종의 전자 소자 및 부품들은 기판과 접합되게 된다.13) 이러한 솔더페이스트 소재에 대해서도 많은 연구들이 진행되고 있는데 Chellvarajoo 등은 NiO, Fe2NiO4 나노 파티클을 Sn-3.
	리플로우와 같은 솔더링 기술은 어떤 장점으로 인하여 칩 레벨 혹은 보드 레벨 패키징 산업에서 현재까지도 가장 일반적으로 사용되고 있는가?	한편 리플로우와 같은 솔더링 기술은 비용이 적게 드는 장점으로 인하여 칩 레벨 혹은 보드 레벨 패키징 산업에서 현재까지도 가장 일반적으로 사용되고 있다.9,10) 플렉시블 혹은 웨어러블 등의 전자 모듈을 위하여 경성의 칩과 연성의 플렉시블 기판의 접합을 위한 솔더링 기술로 리플로우 혹은 surface mount technology(SMT)로 불리는 표면실장기술이 산업에서 아직까지도 많이 사용되고있다.
	플렉시블 기판을 이용하는 전자기기들은 어떤 특성을 가져야 하는가?	플렉시블 기판을 이용하는 플렉시블, 벤더블, 웨어러블, 스트레쳐블, 폴더블한 전자기기에 대한 요구와 관심과 응용이 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 전자기기들은 인체 적합성과 높은 휴대성 등의 특성을 가져야 한다. 플렉시블 기판은 집적회로 패키지, 자동차 전장, 바이오 등의 분야에서도 널리 사용되고 있다.

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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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