[논문]Sn-3.5Ag 솔더 접합부의 기계적.전기적 특성에 미치는 리플로우 시간의 효과

구자명; 문정훈; 정승부

[국내논문] Sn-3.5Ag 솔더 접합부의 기계적.전기적 특성에 미치는 리플로우 시간의 효과
Effect of Reflow Time on Mechanical and Electrical Properties of Sn-3.5Ag Solder Joints 원문보기

구자명 (성균관대학교 신소재공학부) , 문정훈 (수원과학대학 일렉트로닉스패키징과) , 정승부 (성균관대학교 신소재공학부)

We investigated that the metallurgical, mechanical and electrical properties of the Sn-3.SAg/Cu ball grid array (BGA) solder joints at a reflow temperature of $255^{\circ}C$ for different reflow times of 10, 60, 300 and 1800 s. Two different intermetallic compound (IMC) layers, consisting of scallop-shaped $Cu_6Sn_5$ and very thin $Cu_3Sn$, formed at the solder/substrate interface, and their thicknesses increased with increasing reflow time. The shear force peaked after reflow for 60 s, and then significantly decreased with increasing reflow time. The fracture occurred along the solder ball in the initial reflow, but the fraction of the brittle fracture increased with increasing reflow time. The IMC growth and the volume of Cu dissolved in the solder balls affected the electrical property.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 대표적인 무연 솔더인 Sn-3.5Ag 솔더볼와 organic solderability preservative (OSP) 처리된 Cu BGA 기 판을 접 합시킨 후, 리플로우 시간에 따른 금속야금학적, 기계적, 전기적 특성 변화를 연구하였다.
255 0의 리플로우 온도 하에서 리플로우 시간에 따른 Sn-3.5Ag 솔더볼과 OSP 처리된 Cu BGA 기판 사이의 계면반응 및 기계적, 전기적특성에 관하여 연구하였으며, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.

제안 방법

%Ag이었고, Cu 패드 상에 OSP 처리를한 FR-4 BGA 기판을 사용하였다. BGA 기판은 daisy chain 방식을 이용하여 설계하였으며, Cu interconnect^] 길이를 달리하여 설계하여, Cu interconnect의 저항을 제거하고 순수한 솔더볼의전기적 특성을 관찰하고자 하였다. 솔더볼과 상판 기판에 water soluble (WS) 타입의 플럭스를도포한 후 255 °C에서 1 s간 가열하여 리플로우접합한 후, 초음파 세정하였다.
솔더볼과 상판 기판에 water soluble (WS) 타입의 플럭스를도포한 후 255 °C에서 1 s간 가열하여 리플로우접합한 후, 초음파 세정하였다. 하판 기판에 플럭스를 도포한 후, 255 0에서 10, 60, 300, 1800 초로 리플로우 시간을 달리하여 상판 기판과 리플로우 접합하였다.
리플로우 후, 시편의 단면을 폴리싱하여, 주사전자현미경 (SEM)을 이용하여 리플로우 및 등온시효에 따른 미세조직의 변화를 관찰하였고, 접합 계면에 생성된 화합물은 electron probe micro analyzer (EPMA)를 사용하여 화학 조성을분석하였다.
리플로우 시간에 따른 표면 산화 정도를 관찰하기 위해서, Auger electron spectroscopy (AES) 를 이용하여 깊이 방향에 따른 산소 원자의 농도를 관찰하였다.
리플로우 시간이 미치는 솔더 접합부의 기계적특성에 미치는 효과를 관찰하기 위해서, 전단 시험기 (PTR-1000, Rhesca co.)를 사용하여 전단 시험을 시행하였다. 이 때 전단 시험은 JEDEC 규격을 따라 수행하였으며, 전단 속도 (displacement rate) 와 높이 (probe height) 는 각각 0.
)를 사용하여 전단 시험을 시행하였다. 이 때 전단 시험은 JEDEC 규격을 따라 수행하였으며, 전단 속도 (displacement rate) 와 높이 (probe height) 는 각각 0.2 mm/s와 50㎛로 고정하였다. 전단 시험중에, shear probe의 이동거리에 따른 전단력은실시간으로 기록되었으며, 이를 통해서 최대 전단력과 파괴까지의 이동거리를 구하였다.
2 mm/s와 50㎛로 고정하였다. 전단 시험중에, shear probe의 이동거리에 따른 전단력은실시간으로 기록되었으며, 이를 통해서 최대 전단력과 파괴까지의 이동거리를 구하였다.
리플로우 시간에 따른 솔더 접합부의 전기적 특성 변화를 관찰하기 위해서, 솔더 접합부의 전기저항을 측정하였다. 솔더 접합부의 전체 저항을측정한 후, Cu interconnect의 저항을 제거한 후, 상판과 하판 사이의 높이와 솔더 패드의 면적을측정하여 옴의 법칙 (Ohm's law)를 사용하여 전기 비저항을 측정하였다.

대상 데이터

5wt.%Ag이었고, Cu 패드 상에 OSP 처리를한 FR-4 BGA 기판을 사용하였다. BGA 기판은 daisy chain 방식을 이용하여 설계하였으며, Cu interconnect^] 길이를 달리하여 설계하여, Cu interconnect의 저항을 제거하고 순수한 솔더볼의전기적 특성을 관찰하고자 하였다.

이론/모형

측정하였다. 솔더 접합부의 전체 저항을측정한 후, Cu interconnect의 저항을 제거한 후, 상판과 하판 사이의 높이와 솔더 패드의 면적을측정하여 옴의 법칙 (Ohm's law)를 사용하여 전기 비저항을 측정하였다.

성능/효과

1) 리플로우 후, 솔더는 초정 Sn과 Sn+Ag3Sn 공정 조직으로 이루어진 것을 관찰할 수 있었다. 접합 계면에는 scallop 형태의 CueSns 금속간 화합물이 생성된 것을 관찰할 수 있었으며, Cu6Sn5 금속간 화합물과 Cu 기판 사이에는 CusSn 금속간 화합물이 얇게 생성된 것을 관찰할 수 있었다.
있었다. 접합 계면에는 scallop 형태의 CueSns 금속간 화합물이 생성된 것을 관찰할 수 있었으며, Cu6Sn5 금속간 화합물과 Cu 기판 사이에는 CusSn 금속간 화합물이 얇게 생성된 것을 관찰할 수 있었다. 이 두 금속간 화합물 층의 두께는 리플로우시간이 증가함에 따라 증가하는 것을 알 수 있었다.
접합 계면에는 scallop 형태의 CueSns 금속간 화합물이 생성된 것을 관찰할 수 있었으며, Cu6Sn5 금속간 화합물과 Cu 기판 사이에는 CusSn 금속간 화합물이 얇게 생성된 것을 관찰할 수 있었다. 이 두 금속간 화합물 층의 두께는 리플로우시간이 증가함에 따라 증가하는 것을 알 수 있었다.
2) 초기 리플로우 시간 증가에 따라 솔더 내에 Cu의 유입량은 증가하였으나, 300 s 이후 점차감소하였다. 이렇게 솔더 내로 유입된 Cu는 다양한 크기와 형태를 갖는 Cu6Sns로 존재하는 것을알 수 있었다.
3) 접합 강도는 리플로우 시간이 60 s이었을 때최고였으며, 이후 리플로우 시간이 증가함에 따라 감소하였다. 초기 리플로우 후 전단 시험 시파괴는 솔더 내에서 발생하였으나, 이후 리플로우 회수가 증가함에 따라 접합 계면에 과잉 생성된 CueSns 금속간 화합물에 의한 취성 .
4) 솔더 접합부의 전기 비저항은 리플로우 시간이 증가함에 따른, 금속간 화합물 층의 성장, 솔더 볼 내에 존재하는 Cu의 양, 접합부의 형상 변화에 따른 표면 불규칙도 증가, 표면 산화 등에따라 변화하였다.

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