[논문]레이저 마이크로 솔더링과 솔더링 인자

황승준; 황성빈; 정재필

doi:10.6117/kmeps.2020.27.3.001

레이저 마이크로 솔더링과 솔더링 인자
Laser Micro Soldering and Soldering Factors 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.3, 2020년, pp.1 - 8

황승준 (서울시립대학교 신소재공학과) , 황성빈 (서울시립대학교 신소재공학과) , 정재필 (서울시립대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the principles, characteristics and recent studies of the laser micro soldering are reviewed. The factors which influence laser micro welding and soldering are also included. Laser soldering is a non-contact process that transfers energy to solder joint by a precisely controlled laser beam. In recent electronics industry, the demands for laser soldering are increasing due to bonding for complex circuits and local heating in micro-joint. In laser soldering, there are several important factors like laser absorption, laser power, laser scanning speed, and etc, which affect laser solderability. The laser absorption ratio depends on materials, and each material has different absorption or reflectivity for the laser beam, which requires fine adjustment of the laser beam. Laser types and operating conditions are also important factors for laser soldering performance, and these are also reviewed.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Various types of laser waves.
그림 Fig. 2. Cross sections of solder bumps by laser soldering with different pulse energy (pulse frequency 5 Hz, pulse width 20 ms).⁴⁰⁾
그림 Fig. 3. Principle of laser bonding of silicon and glass.²⁾
그림 Fig. 4. LAB-FU (fluxing underfill) process.⁴¹⁾
그림 Fig. 5. Results of LAB for solar module, (a) cross section of Si substrate with Cu pillar/Sn3.0Ag/NiAu UBM, (b) warpage caused by conventional reflow and LAB.⁴¹⁾
그림 Fig. 6. SEM images of the solder bump microstructure at a heating time of 0.7 s under different laser powers Solder-pad interface.⁴⁷⁾
그림 Fig. 7. Thicknesses of the IMC layers at the interface with various laser irradiation conditions (Sn-3.5Ag solder ball on the Cu/Ni/Au UBM).⁴⁷⁾
그림 Fig. 8. Effect of laser power and scanning time on the wettability of Sn-3.5%Ag paste on the lead/pad joint. ^[21]
그림 Fig. 9. Shear strengths under different conditions of laser irradiation.⁴⁷⁾

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

또한 전기전자 분야에서 다품종 소량생산, 특수 부품 주문제작이 요구됨에 따라 유연하게 대처할 수 있는 솔더링 프로세스 개발의 필요성도 증가하고 있다.^{[14], [15]}본 논문에서는 최근 LED 등의 국부 솔더링 기술로 관심을 모으고 있는 레이저 마이크로 솔더링과 레이저 솔더링에 영향을 미치는 인자들에 대해서 기술하고자 한다.
레이저 공정의 주요 장점인 비접촉 및 에너지 입력 최소화는 제품의 파손을 줄이고 변형을 최소화하여, 전자제품의 새로운 디자인과 고집적을 가능하게 한다. 본 논문에서는 레이저 빔을 이용한 레이저 솔더링과 레이저 솔더링에 영향을 미치는 요소에 대하여 그 연구 동향을 소개하였다. 최근 다양한 파장과 크기가 작은 레이저들을 고성능화 하기 위한 많은 시도들이 진행되고 있으나, 고성능 파워, 열손실, 냉각기술 등 해결해야 할 문제들이 다수 존재한다.

가설 설정

반면, 세라믹, Au 혹은 Al과 같이 높은 반사율 때문에 표면의 급속한 증발이 중요한 재료 가공의 경우에는 Fig. 1(b)와 같이 큰 피크 출력을 주는 spike pulsed 모드를 적용하는 것이 바람직하다.[27] 이 모드는 짧은 시간 동안 강한 펄스를 가해 열이 레이저 조사 구역주위에만 집중되어 재료 표면의 급속한 증발을 유발할 수 있는 특징이 있다.
44) 기공 및 IMC 형성은 레이저 빔 솔더링에서 중요한 관심사이며, 최소화되어야 한다.⁴⁵⁾

성능/효과

5 mm) 이하인 것을 마이크로 접합이라 한다.²⁴⁾ 레이저 마이크로 접합은 다른 마이크로 접합 프로세스에 비해서 접합부 크기가 작고, 접합부에 입열량이 적으며 용융 및 응고가 60 ms 정도에 일어나고, 그만큼 접합 후 변형이 작다.²⁴⁾
5Ag 솔더 범프의 전단 접합 강도를 조사한 저자 등의 보고가 있다. 이 실험 결과에 따르면,⁴⁷⁾ 레이저 조사 출력 1.5~4 W 및 조사 시간 0.05~0.9초의 적절한 영역에서 600 gf 내외의 가장 높은 전단 강도를 나타내었다. 반면, 레이저 출력이 1 W 정도로 낮고 조사 시간 1.

후속연구

또한, 솔더링시 레이저에 의한 급속가열로 솔더가 비산하는 스패터링 등의 문제도 존재한다. 향후 레이저 솔더링에서의 이러한 문제들을 개선하기 위하여, 금후 더욱 심도 있는 연구와 논의가 필요하다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저 솔더링의 장점은?	레이저 솔더링의 장점으로는, 레이저 빔을 목표 지점에 정확히 조준 가능해 좁은 공간의 솔더링이 가능하며, 비접촉식 접합 입열량이 적어서 접합 계면에 금속간 화합물의 생성이 적고, 열응력이 적으며, 솔더의 급속 가열 및 냉각으로 입자가 미세한 조직이 형성되어 연화가 억제되는 점 등이 있다.9-11) 반면, 레이저 솔더링의 단점으로는 소재마다 레이저 빔의 흡수율 혹은 반사율이 달라서 알맞은 레이저의 선택과 정교한 레이저 빔의 조절이 요구 된다.
	레이저 솔더링의 특징은?	레이저 솔더링은 전자 패키징 및 상호 연결 등의 표준 제조 공정으로 시작되었다.32,33) 이 기술은 각 부품의 온도 부하, 즉 열 영향을 최소화하고 솔더링부의 위치에 대한 접근성이 제한될 때 사용하는 것이 특징이다.34,35) 레이저는 열 영향이 최소화 되기 때문에 다양하고 취약한 IMC 형상(morphology)이 불필요한 곳에 생성되는 것을 방지할 수 있다.
	레이저 솔더링의 단점은?	레이저 솔더링의 장점으로는, 레이저 빔을 목표 지점에 정확히 조준 가능해 좁은 공간의 솔더링이 가능하며, 비접촉식 접합 입열량이 적어서 접합 계면에 금속간 화합물의 생성이 적고, 열응력이 적으며, 솔더의 급속 가열 및 냉각으로 입자가 미세한 조직이 형성되어 연화가 억제되는 점 등이 있다.9-11) 반면, 레이저 솔더링의 단점으로는 소재마다 레이저 빔의 흡수율 혹은 반사율이 달라서 알맞은 레이저의 선택과 정교한 레이저 빔의 조절이 요구 된다.4,12)

참고문헌 (50)

L. Bosse, A. Schildecker, A. Gillner, and R. Poprawe, "High quality laser beam soldering", Microsyst. Technol., 7, 215 (2002).
A. Gillner, J. Holtkamp, C. Hartmann, A. Olowinsky, J. Gedicke, K. Klages, L. Bosse, and A. Bayer, "Laser applications in microtechnology", J. Mater. Processing Technology, 167, 494 (2005).
A. Bayer, A. Gillner, P. Groche, and R. Erhardt, "Laser-assisted forming of metallic micro-parts", Proc. 4th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (SPIE), 5063, 157 (2003).
H. Flandorfer, U. Saeed, C. Luef, A. Sabbar, and H. Ipser, "Interfaces in lead-free solder alloys: enthalpy of formation of binary Ag-Sn, Cu-Sn and Ni-Sn intermetallic compounds", Thermochim. Acta., 459, 34 (2007).

상세보기
M. Benton, M. R. Hossan, P. R. Konari, and S. Gamagedara, "Effect of process parameters and material properties on laser micromachining of microchannels", Micromachines-Basel, 10, 123 (2019).
B. Sundman, U.R. Kattner, C. Sigli, M. Stratmann, R. Le Tellier, M. Palumbo, and S. G. Fries, "The OpenCalphad thermodynamic software interface", Comput. Mater. Sci., 125, 188 (2016).
F. Caiazzo and V. Alfieri, "Simulation of Laser-assisted Directed Energy Deposition of Aluminum Powder: Prediction of Geometry and Temperature Evolution", Materials, 11, 2100 (2018).
D. Chattaraj, R. A. Jat, S. C. Parida, R. Agarwal, and S. Dash, "High temperature enthalpy increments and thermodynamic functions of ZrCo: An experimental and theoretical study", Thermochim. Acta., 614, 16 (2015).

상세보기
J. W. Xian, S. A. Belyakov, M. Ollivier, K. Nogita, H. Yasuda, and C. M. Gourlay, "Cu6Sn5 crystal growth mechanisms during solidification of electronic interconnections", Acta Mater., 126, 540 (2017).

상세보기
A. Kunwar, H. Ma, H. Ma, B. Guo, Z. Meng, N. Zhao, and M. Huang, "On the thickness of Cu6Sn5 compound at the anode of Cu/liquid Sn/Cu joints undergoing electromigration", J. Mater. Sci. Mater. El., 27, 7699 (2016).
M. Y. Xiong and L. Zhang, "Interface reaction and intermetallic compound growth behavior of Sn-Ag-Cu lead-free solder joints on different substrates in electronic packaging", J. Mater. Sci., 54, 1741 (2019).

상세보기
Y. H. Tian and C. Q. Wang, "Microjoining and Nanojoining", pp.299-326, Woodhead Publishing, Cambridge, UK (2008).
H. Nishikawa and N. Iwata, "Formation and growth of intermetallic compound layers at the interface during laser soldering using Sn-Ag Cu solder on a Cu Pad", J. Mater. Process. Technol., 215, 6 (2015).

상세보기
H. Nishikawa and N. Iwata, "Improvement of Joint Reliability of Sn-Ag-Cu Solder Bumps on Cu by a Laser Process", Mater. Trans., 56, 1025 (2015).

상세보기
N. T. Jaya, S. R. A. Idris, and M. Ishak, "The Advances in Joining Technology", pp.97-107, Springer, Berlin, Germany (2019).
T. J. Nabila, S. R. A. Idris, and M. Ishak, "Effect of fiberlasers parameters on interfacial reaction and wetting angle of two different types of SAC305 solder fabrication on Cu pad", IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Pahang, Malaysia, 012117 (2019).
C. A. Walsh, "Laser welding - Literature Review", pp.1-21, Materials Science and Metallurgy Department, University of Cambridge, England, July (2002).
P. W. Fuerschbach, "Measurement and prediction of energy transfer efficiency in laser beam welding", Weld. J., 75(1), 24 (1996).
J. Bian, L. Zhou, X. Wan, C. Zhu, B. Yang, and Y. A. Huang, "Laser Transfer, Printing, and Assembly Techniques for Flexible Electronics", Adv. Electron. Mater., 5, 1800900 (2019).
K. J. Kim, "Principle and application of laser", pp.25-53, Daeyoung, Seoul, Korea (1997).
J. P. Jung, "A Study on the Solderability of QFP Outer Lead Using Nd:YAG Laser", Metals and Materials, 5(3), 317 (1999).

상세보기
A. Olowinsky, K. Klages, and J. Gedicke, "SHADOW(R) a new welding technique: basics and applications", Proc. 15th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (SPIE), 5662, 291 (2004).
MICRO-WELDING, Laser Dynamics, from https://www.laserdynamics-usa.com/micro-welding
M. Calif, "Laser Micro Welding of Conductive Materials", Industrial Laser Solutions (2011) from https://www.industriallasers.com/welding/article/16487468/laser-micro-welding-ofconductive-materials
K. A. Jackson, "Current concepts in crystal growth from the melt", Prog. Solid State Chem., 4, 53 (1967).

상세보기
G. Li, J. Huang, and Y. Wu, "An investigation on microstructure and properties of dissimilar welded Inconel 625 and SUS 304 using high-power CO $_2$ laser", Int. J. Adv. Manuf. Tech., 76(5-8), 1203 (2015).
J. J. Pablo, N. E. Jackson, M. A. Webb, L. Q. Chen, J. E. Moore, D. Morgan, R. Jacobs, T. Pollock, D. G. Schlom, E. S. Toberer, J. Analytis, I. Dabo, D. M. DeLongchamp, G. A. Fiete, G. M. Grason, G. Hautier, Y. Mo, K. Rajan, E. J. Reed, E. Rodriguez, V. Stevanovic, J. Suntivich, K. Thornton, and J. C. Zhao, "New frontiers for the materials genome initiative", NPJ Comput. Mater., 5, 41 (2019).
J. Wang, A. Y. Nobakht, J. D. Blanks, D. Shin, S. Lee, A. Shyam, H. Rezayat, and S. Shin, "Machine learning for thermal transport analysis of aluminum alloys with precipitate morphology", Adv. Theory. Simul., 2, 1800196 (2019).
A. Kunwar, S. Shang, P. Raback, Y. Wang, J. Givernaud, J. Chen, H. Ma, X. Song, and N. Zhao, "Heat and mass transfer effects of laser soldering on growth behavior of interfacial intermetallic compounds in Sn/Cu and Sn-3.5Ag0.5/Cu joints", Microelectron. Reliab., 80, 55 (2018).

상세보기
"Lasers", Photonics. Inc. from https://www.coherent.com/assets/pdf/Lasers___Photonics_Handbook.pdf
Vector, "Fundamentals of laser welding" Ee Publishers, (Nov. 19, 2014) from https://www.ee.co.za/article/fundamentals-laserwelding.html
S. Lee, J. Peng, D. Shin, and Y. S. Choi, "Data analytics approach for melt-pool geometries in metal additive manufacturing", Sci. Technol. Adv. Mater., 20, 972 (2019).
S. Wen, K. Chen, W. Li, Y. Zhou, Q. Wei, and Y. Shi, "Selective laser melting of reduced graphene oxide/S136 metal matrix composites with tailored microstructures and mechanical properties", Mater. Des., 175, 107811 (2019).
H. Lee, C. H. J. Lim, M. J. Low, N. Tham, V. M. Murukeshan, and Y. J. Kim, "Lasers in additive manufacturing: A review", Int. J. Precis. Eng. Manuf.-Green Technol., 4, 307 (2017).
T. Hurtony, B. Balogh, and P. Gordon, "Formation and Distribution of Sn-Cu IMC in Lead-Free Soldering Process Induced by Laser Heating", Micro Nanosystems, 2, 178 (2010).

상세보기
W. K. Choi, S. Y. Jang, J. H. Kim, K. W. Paik, and H. M. Lee, "Grain morphology of intermetallic compounds at solder joints", J. Mater. Res., 17, 597 (2002).

상세보기
E. Fereiduni, A. Ghasemi, and M. Elbestawi, "Selective laser melting of hybrid ex-situ/in-situ reinforced titanium matrix composites: Laser/powder interaction, reinforcement formation mechanism, and non-equilibrium microstructural evolutions", Mater. Des., 184, 108185 (2019).
T. Yoshida, S. Takeyama, Y. Yamada, and K. Mutoh, "Nanometer-sized silicon crystallites prepared by excimer laser ablation in constant pressure inert gas", Appl. Phys. Lett., 68(13), 1772 (1996).

상세보기
S, M. Hong, C. S. Kang, and J. P. Jung, "Plasma Reflow Bumping of Sn-3.5 Ag Solder for Flux-Free Flip Chip Package Application", IEEE Transactions on Advanced Packaging, 27(1), 90 (2004).

상세보기
J. O. Kim, "Research on Laser Soldering Process and Solder Bump Characteristics", in Ph.D. Thesis, pp.11-97, University of Seoul, Seoul, Korea (2009).
S. C. Kwang, J. H. Joo, K. S. Jang, G. M. Choi, H. G. Yun, S. H. Moon, and Y. S. Eom, "Laser-Assisted Bonding (LAB), Its Bonding Materials, and Their Applications", Journal of Welding and Joining, 38(2), 138 (2020).
H. Lee, Y. S. Eom, H. C. Bae, K. S. Choi, and J. H. Lee, "Characterization and Estimation of Solder-on- Pad Process for Fine-Pitch Applications", Proc. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology (CPMT), 4(10), 1729 (2014).
K. S. Choi, Y. S. Eom, S. H. Moon, J. Joo, L. I. Jeong, K. Lee, J. H. Kim, H. H. Kim, G. S. Yoon, K. H. Lee, C. H. Lee, G. S. Ahn, and M. S. Shim, "Enhanced Performance of Laser- Assisted Bonding with Compression (LABC) Compared with Thermal Compression Bonding (TCB) Technology", Proc. 69th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Las Vegas, USA, 197, IEEE (2019).
S. Katayama, R. Usui, and A. Matsunawa, "Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications", pp.467-472, Taylor & Francis Group, New York, London (1998).
M. Pastor, H. Zhao, and T. DebRoy, "Pore formation and composition change during continuous wave Nd: YAG laser welding of aluminum alloys 5182 and 5754", Trends in Welding Research: Proceedings of the 5th International Conference, Pine Mountain, GA, USA, 455 (1998).
Y. Tzeng, "Parametric analysis of the pulsed Nd:YAG laser seam-welding process", J. Mater., 102, 40 (2000).
J. O. Kim, J. P. Jung, J. H. Lee, J. Suh, and H. S. Kang,"Effects of Laser Parameters on the Characteristics of a Sn-3.5 wt.%Ag Solder Joint", Met. Mater. Int., 15(1), 119 (2009).
C. S. Song, H. S. Ji, J. H. Kim, J. H. Kim, and H. S. Ahn, "A Study on the Optimization of IR Laser Flip-chip Bonding Process Using Taguchi Methods", KWJS, 26(3), 244 (2008).
L. H. J. F. Beckmann, D. Ehrlichmann, "Optical systems for high-power laser applications: principles and design aspects", Opt. Quant. Electron., 27(12), 1407 (1995).
J. C. Ion, "Modeling of laser material processing in The Industrial Laser Handbook", pp.39-47, Springer-Verlog, New York, USA (1992).

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증