[논문]SAC305 및 나노 입자 분산 솔더의 특성

김장백; 서성민; 강혜준; 조도훈; 스리 하리니 라젠드란; 정재필

doi:10.6117/kmeps.2021.28.1.031

SAC305 및 나노 입자 분산 솔더의 특성
Characteristics of SAC305 and Nano-Particle Dispersed Solders 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.28 no.1, 2021년, pp.31 - 37

김장백 (서울시립대학교 신소재공학과) , 서성민 (서울시립대학교 신소재공학과) , 강혜준 (서울시립대학교 신소재공학과) , 조도훈 (서울시립대학교 신소재공학과) , 스리 하리니 라젠드란 (서울시립대학교 신소재공학과) , 정재필 (서울시립대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu (SAC305) solder is most popular solder in electronics industry. However, SAC305 has also drawbacks such as growth of β-Sn phase, intermetallic compounds (IMCs) of Ag3Sn, Cu6Sn5 and Cu3Sn which can result in deterioration of solder joints in terms of metallurgically, mechanically and electrically. Thus, improvement of SAC305 solders have been investigated continuously by addition of alloying elements, nano-particles and etc. In this paper, recent improvements of SAC solders including nano-composite alloys and related solderabilty and metallurgical and mechanical properties are investigated.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Temperature profile of continuous oven reflow.
그림 Fig. 2. Example of reflow temperature profile by Nd:YAG laser.
표 Table 1. Melting temperature of SAC305
표 Table 2. Difference of melting temperature by adding nanoparticles in SAC305^8-10)
그림 Fig. 3. Schematic of wetting balance test and its curve.¹⁴⁾
표 Table 3. Wetting angle of SAC305 on pure Cu substrate¹⁶⁾
그림 Fig. 4. IMCs formation at the solder/Cu interface.
표 Table 4. Mechanical Properties of SAC305 solder

AI 본문요약
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문제 정의

본 고에서는 대표적인 무연 솔더인 SAC₃₀5 및 세라믹 나노 입자를 첨가한 SAC₃₀5와 관련하여, 그 특성과 최근의 연구 동향에 대하여 보고하였으며, SAC₃₀5 솔더의 융점, 젖음성, 미세 조직, 기계적 특성에 대해 정리하였다. SAC₃₀5는 솔더 중에 포함된 Ag3Sn의 석출강화를 통해 비교적 우수한 강도와, 연성이 있는 Sn기반 기지에 의해 양호한 연신율 등의 연성을 가진다.
첨가되는 나노 입자의 종류로는 금속, 솔더 와 반응하지 않는 금속 화합물, 세라믹 등을 사용한다. 본 논문에서는 SAC305 솔더의 특성과 세라믹 나노 입 자를 중심으로 한 SAC305의 연구 동향을 살펴보고자 한다.
그러나, 전자기기 사용 중 솔더 벌크내 β-Sn 결정립과 Ag3Sn의 입도 성장, 접합 계면의 취성 있는 금속간 화합물인 Cu₆Sn₅, Cu₃Sn 등의 과도한 성장 문제는 솔더부의 특성을 저하시킬 우려가 있어, 연구 및 산업계에서 관심의 대상이 되고 있다. 이러한 문제점을 개선하는 방법 중 하나로, SAC₃₀5에 합금원소의 첨가, 나노 물질의 첨가 방법에 대해 본 고에 서술하였다. 나노 물질의 첨가는 솔더의 젖음성, 결정립 미세화, 강도, 연신율 등을 상당부분 개선하여 SAC₃₀5 솔더의 특성을 향상시킨다.

대상 데이터

1) 무연 솔더 합금에 대한 연구는 대부분 융점이 낮은 공정 합금 조성이 중심이다. 기존의 유연 솔더의 조성도 공정 조성인 Sn-37Pb (융점 183 o C)가 사용되었다. 플렉서블, 웨어러블 기기, 열충격 에 약한 부품, 부품의 크기가 커서 열에 의해 변형이 커 지는 부품들에 대한 대책으로, 저융점 솔더인 Sn-Bi, SnIn 계 솔더가 있다.
전자 산업에서 인체에 대한 위험성 때문에 납이 금지됨에 따라, 많은 무연 솔더의 조성들이 연구 되었다. 제안되거나 사용되는 합금 조성으로는 Sn-Bi계, Sn-Ag계, Sn-Au계, Sn-In계, Sn-Sb계, Sn-Pd계, Sn-Ag-Cu 계 와 Sn-Zn계 등이 존재한다. 1) 무연 솔더 합금에 대한 연구는 대부분 융점이 낮은 공정 합금 조성이 중심이다.

성능/효과

또, 다품종 소량생산과 특수 전자 부품에 대한 마이크로 솔더링의 수요가 증가됨에 따라, 오븐에 의한 일괄 리플로우 방식에 비해 보다 유연하게 대처할 수 있는 레이저 솔더링 방법에 대한 요구도 증가하고 있다.³⁾ 레이저 리플로우 방식이 주목받는 이유는 레이저의 특성에 의해 국부적으로 열을 가할 수 있다는 것과 리플로우 시간을 단축시킬 수 있다는 점이다.⁴⁾ 또 다른 장점은 기존의 리플로우 방식에 비해 적은 입 열량으로 IMC의 형성이 적어진다는 점이다.
³⁾ 레이저 리플로우 방식이 주목받는 이유는 레이저의 특성에 의해 국부적으로 열을 가할 수 있다는 것과 리플로우 시간을 단축시킬 수 있다는 점이다.⁴⁾ 또 다른 장점은 기존의 리플로우 방식에 비해 적은 입 열량으로 IMC의 형성이 적어진다는 점이다. 구리 기판 위에 SAC 솔더가 용융되면 확산에 의해 솔더와 구리 계면 사이에 IMC가 형성이 되고, IMC의 두께는 접합부의 기계적 특성에 영향을 준다.
9%를 보였다. 결국, 나노 입자 첨가로 SAC 솔더의 강도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
6 wt%를 첨가하였다. 그 결과 인장강도는 0.21 wt% AlN을 첨가하였을 때 최대의 인장강도인 69.14 MPa를 얻었고, 이때의 연신율은 13.8%를 보였다. 또, 0.
1 wt%를 SAC₃₀5에 첨가하였다. 그 결과, 0.1wt%의 Graphene 나노 입자를 첨가했을 때 인장강도가 58.2에서 74.5 MPa로 28%정도 크게 증가하였다. 연신율은 0.
8% 증가하여 최댓값을 보였다. 그러나 Ni를 0.3, 1.0wt%를 첨가하였을시, Ni를 0.1wt%를 첨가한 경우보다 퍼진 면적이 감소하는 경향을 보였다. 그러나, Ni를 0.
6% 향상시킬 수 있음을 보고하였다. 그러나, 0.25wt%보다 많은 양을 0.75wt%까지 TiO₂를 첨가 시 젖음 시간은 SAC₃₀5의 젖음 시간과 비슷하였고, 젖음력은 0.25wt%일 때의 젖음력보다 감소했음을 보였다. Wang 등¹⁹⁾이 연구한 바에 따르면, SAC₃₀5 의 젖음력이 3.
1wt%를 첨가한 경우보다 퍼진 면적이 감소하는 경향을 보였다. 그러나, Ni를 0.1wt%보다 많이 넣을수록 퍼진 면적은 Ni 0.1wt%를 첨가한 경우보다 감소하는 경향을 보였다. 그 이유는 활성화되지 못하고 남은 Ni 나노 입자는 서로 뭉치는 성질을 가진다.
합금원소의 영향도 일부 있겠지만 IMC 두께 감소에 따라 접합부의 전단강도가 증가함을 알 수 있다. 또한, 상기 SAC 솔더 순서대로 파괴변형율(fracture strain)은 각각 2, 13, 17, 15%를 보였는데, 대체로 IMC가 두꺼운 쪽이 파괴변형율이 적음, 즉 연성이 적음을 알 수 있다. 이는 취성을 가진 IMC가 두꺼울수록 솔더의 취성파괴에 더 많은 영향을 미친 때문이라고 Fallahi 등 ¹⁷⁾ 은 보고하였다.
0wt% 씩 SAC₃₀5에 첨가하였다. 실험결과 고상선 온도는 SAC₃₀5 의 217.0^oC에 비해 약 0.1^oC 이상 증가하였는데, 3.0wt% 의 ZrO₂를 첨가했을 때 0.25^oC 증가한 217.25^oC의 최대값을 보였다. 액상선 온도는 SAC₃₀5의 221.
6 wt% SAC₃₀5에 첨가하였다. 실험결과고상선 온도는 SAC₃₀5의 216.4^oC에서 큰 변화는 없었지만, 0.6wt%를 첨가하였을 때 0.1^oC정도 감소하였다. 액상선 온도는 SAC₃₀5의 217.
25^oC의 최대값을 보였다. 액상선 온도는 SAC₃₀5의 221.33^oC에서 ZrO₂ 나노입자의 첨가량에 따라 약 0.3^oC 이상 증가하는 추세를 보였는데, 3.0wt%의 ZrO₂를 첨가하였을 때 최대인 221.95^oC의 값을 보였다. Tang 등⁹⁾ 은 TiO₂ 나노 입자를 0.
2wt%의 적정량의 Fe 첨가로 가장 높은 접합부 전단강도를 얻었다. 이때의 파괴연신율은 각각 13.6, 37, 16, 19.5%로서, 0.3Ce-1.73In를 첨가한 경우 가장 우수한 연신율을 보였다.
Cu 원자의 확산을 막는다. 이로 인해 IMC가 생성되기 위한 반응인 Cu+Sn→Cu₆Sn₅가 억제되어 IMC 성장을 억제할 수 있다고 설명하였다.²⁰⁾
65 MPa의 값을 보고하였다. 즉 0.2wt%의 적정량의 Fe 첨가로 가장 높은 접합부 전단강도를 얻었다. 이때의 파괴연신율은 각각 13.
5wt%까지 증가시킴에 따라, IMC 두께가 크게 감소함을 보였다. 즉, NiO 나노 입자를 0.5, 1.5, 2.5wt% 를 첨가하였을 때 IMC 두께가 각각 36%, 58.6%, 60% 감소함을 보였다. Wang 등¹⁹⁾의 연구에 따르면 SAC₃₀5의 IMC 두께는 2.

후속연구

다만, 첨가하는 나노분말의 양이 많지 않은 원인도 있어서, 솔더 융점 측면에서는 SAC₃₀5와 거의 유사한 수준이며, 융점 저하는 거의 일어나지 않는 것으로 보고되고 있다. 금후에도, 전자 산업에서 접합부가 더욱 미세화 되고 가혹한 환경에서 사용되는 경향이 증가되고 있기 때문에, SAC₃₀5를 포함한 솔더의 특성을 개선하는데 많은 관심과 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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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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