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해령 초
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1 저융점솔더페이스트신뢰성향상연구 ( 최종보고서 ) 주관기관 : ( 주 ) 단양솔텍위탁기관 : 포항산업과학연구원 산업자원부

2 최종보고서제출서 2005년부품ㆍ소재신뢰성기반기술확산사업에의하여완료한( 사업명 : 저융점솔거페이스트신뢰성향상연구) 의최종보고서를동사업운영지 침 18 항에의하여별첨과같이제출합니다. 첨부 : 최종보고서 10부 주관책임자 : 전주선 ( 인) 주관기관 : 단양솔텍( 주) 대표 ( 직인) 한국부품소재산업진흥원 귀하 - 2 -

3 제출문 한국부품소재산업진흥원장 귀하 본보고서를 저융점솔더페이스트신뢰성향상연구 ( 사업기간 : ~ ) 과제의최종보고서로제출합니다 주관기관명 : 주관책임자 : ( 주) 단양솔텍 전주선 연구원 : 조현우 연구원 : 박수진 연구원 : 김숙환 연구원 : 박재현 연구원 : 김성욱 - 3 -

4 부품ㆍ소재신뢰성기반기술확산사업보고서초록 관리번호 사업명 키워드 저융점솔더페이스트신뢰성향상연구 솔더/ 페이스트/ 플럭스/ 퍼짐성/ 신뢰성평가 1. 최종목표 사업목표및내용 솔더페이스트는금속분말과플럭스의혼합물로서고온에서용응시켜통신기기, 전자, 반도체의 PCB 기판과부품을전기적, 기계적으로접합시키는매개체로서본연구에서는 저융점 Sn-Bi-Cu-In계솔더페이스트에대하여기존의유연솔더페이스트대비퍼짐성등 85% 수준및신뢰성(RS D 0026) 을만족하고자한다. 2. 신뢰성저해요인정밀진단내용 WEEE 및 ROHS에따른환경규제에대비하기위하여수년전부터기존의유연솔더를대 체할수있는무연솔더에대한연구를외국에서다수수행하여 Sn-3Ag-0.5Cu계가개발되었 으며, 당사에서도중온계 Sn-Bi-ln-Cu계무연솔더를개발하였으나무연솔더는유연솔더보다 융점이높은것이한계였다. 이에저융점 Sn-Bi-ln-Cu계무연솔더를자체개발하였으나접합 부적용시퍼짐성이부족하고, 신뢰성평가자료가부족하여시장진입이어려운실정이다. 3. 고장원인분석및대처결과 - 저융점 Sn-Bi-Cu-ln계솔더접합부의가속시험을수행하여접합부를분석하고퍼짐성을개 선하여신뢰성평가실시함 - 솔더퍼짐성시험후퍼짐에미치는영향인자를분석하여플럭스함량을조정함. - 기존무연솔더신뢰성평가규격(RS D 0026) 에근거한신뢰성평가를실시함 - 사용환경에따라서사용수명의차이가있을수있지만본평가결과에의해신뢰수준 90% 에서 B 10 수명 7년을보장함 4. 신뢰성적용결과 ( 사업전ㆍ후정량적비교 ) 신뢰성평가후국내대기업체컴퓨터, 휴대전화, BCA 반도체업체에승인되어납품진행. 5. 기대효과 ( 기술적및경제적효과 ) - 기술적 : 솔더페이스트국산화로수입대체효과, 선진기술조기구축, 부품ㆍ소재기업확보 솔더페이스트세계시장조기진출로수출효과큼 - 환경적 : 청정용무세척무연솔더페이스트및환경친화적신뢰성확보로 LCA평가가능 6. 적용분야 - 솔더수요기업체홍보를통한신뢰성향상제품매출증진 - 4 -

5 목 차 제 1 장연구배경제 1 절연구필요성제 2 절이론적배경 제 2 장연구목표및연구내용 제 3 장연구결과제 1 절저융점 Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더개선및특성분석제 2 절저융점 Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더융점평가제 3 절저융점 Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더퍼짐성분석제 4 절저융점 Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더강도평가제 5 절저융점 Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더신뢰성평가 제 4 장결론 부 록 - 5 -

6 제 1 장연구배경 제 1 절연구필요성 외국에서는 WEEE 및 ROHS에따른환경규제에대비하기위하여수년전부터유연 솔더를대체할수있는무연솔더에대한연구를다수수행한바, 부연솔더페이스 트에대해이미많은특허가출원되었으며이러한제품들에대한신뢰성평가도많 이이루어졌다. 그러나대부분의경우평가방법이규격화되어있지는않으며현재 상용화의주류를이루고있는 Sn-Ag-Cu계조성은일본의 Senju 등에서특허권을 가지고있다. 이에단양솔텍( 주) 에서도 Sn-Bi-In-Cu계무연솔도를자체개발하였 으나접합부에적용시퍼짐성이부족하고, 신뢰성평가자료가부족하여시장진입 이어려운실정이다. 국내의경우무연솔더조성특허를가지고있는곳은삼성전기외 수에불과할뿐만아니라개발제품도체계적인신뢰성평가및 4개사정도로극소 data 가미흡하다. 또한종래 Sn-Pb 솔더에비해서융점이높지만신뢰성이높은 Sn-Ag 계솔더가 주로적용, 확산되고있으나전자부품의내열화의진전속도는기대치에못미치고 있어서융점이보다낮은무연솔더가더욱요구되고있다. 따라서현재 ( 주) 단양솔 텍에서보유한저융점계 Sn-Bi-Cu-In계조성에대한충분한신뢰성만확보된다면 국내에이커및중국, 태국등아시아권을중심으로시장성은클것으로판단된다

7 제 2 절이론적배경 1. 솔더링의개념 가. 개요 1990년대들어전자산업의발전과더불어 2000년대에들어서는접합기술이더욱 정밀, 미세화하여광통신관련이나미세전자기기시스템(MEMS) 등에까지적용되기 에이르렀다. 따라서우리산업에서접합및용접기술의흐름은미소, 정밀, 자동화 로진행되고있으며, 미세, 미소화를목표로하는접합기술은보통마이크로접합이 라불리우고있다. 마이크로접합은접합대상물이미세하여치수효과를고려하여야 할부위에적용되는접합을말한다. 마이크로접합법은보통전자산업분야나광통 신제품, 미세전자기기시스템(MEMS) 에많이사용되는기술로서접속부의크기가 수mm 이하의것이대부분이다. 마이크로접합법이비록크기는미소하나신뢰성측 면에서는일반적인접합이나용접법과크게다를바가없다. 즉, 접합부의강도가 모재수준으로충분하여야하며, 전기ㆍ전자부품의접합에서는전기적접합이완전 하여야하고, 접합부의경시변화가적어야한다. 그림 1-1 실장기술의동향 - 7 -

8 일반적으로칩과부품을접속하는방법에는 WB(Wire bonding), TAB(Tape automated bonding), Flip Chip Bonding 이있는데, WB, TAB에비해 Flip Chip Bonding은칩과기판간의 interconnection distance 가작고, 면적을통한접속이가능 하므로, 높은 I/O 밀도를가져서좀더나은성능을보장받을수있게되었다. 이러한 Flip Chip Bonding 에널리쓰이는접속방법중에하나가솔더합금을이용한솔더링방 법이다. 솔더림이란융점 450 미만의용융된솔더를피접합재( 모재) 의틈새에침투, 퍼지게 하여접합하는방법이다. 실제로전자산업에서솔더라하면, 전자기판에서칩과부품 간의접속을위한것으로한정하여일컫는다. 이러한솔더링접합기술은성경에서도 언급될정도로아주오래전부터사용되었고납을주소재로하여사용되었으므로납이 함유되지않은솔더재료들이사용됨에도불구하고 KS 규격등에서는아직솔더링을 납땜이라칭하고있다. 납의포함유무를떠나이러한솔더링기술들은오래전부터사 용되어왔으며최근에는전자부품이나통신기기등의폭발적인수요증가에따라관련 된연구들도주로전자부품이나통신기기등에의솔더링적용에초점이맞춰지고있 다. 특히최근무연솔더의사용이라던가프레온규제등환경규제와맞물려, 매년새 로운기술들이쏟아져나오고있어서, 이에대응하기위해서는솔더링기술에대한근 본적인이해가필요하다. 또한전자부품등의경우무엇보다도신뢰성이중요시되고 있으며이러한관점에서볼때전자부품이나통신기기등의솔더링부에대한신뢰성 평가는매우중요하다고볼수있다. 나. 솔더링과정 일반적으로솔더합금은적당한융점을가져야하고, 일정수준이상의전기적, 기계적 성질뿐만아니라, 젖음성이좋아솔더링시우수한접합부를형성살수있어야한다. 이밖에단가, availability 그리고금속간화합물의형성도중요하다. 솔더합금에요구 되는주요한성질을표 1-1 에정리하여나타내었다. 기계적강도, 피로저항성, 열팽창 계수그리고금속간화합물의형성은신뢰성과관련된성질이다. 솔더합금의선택에 중요한영향을미치는주된인자는융점인데이는패키지가여러종류의고분자재료 로구성되어있기때문이다

9 표 1-1 솔더합금의주요인자 솔더링하는동안용융솔더는인쇄회로기판위의구리패드와접촉하여반응한다. 반응 의본질은각솔더성분의 Cu 에대한반응성과솔더의조성이다. 솔더링중에용융된 솔더는기판과모재사이의틈새에침투하여솔더와모재사이에금속간화합물이형 성되면서접합이이루어진다. 이러한솔더링과정을보다상세히설명하면다음과같 다.( 그림 1-2 참조) 1. 모재금속표면에산화막이덮여있다가 2. 플럭스를도포하여가열하면산화막이제거되며, 3. 모재금속에솔더가퍼지면서모재와솔더사이에원자간이동이발생하여 4. 이동한원자간의결합으로금속간화합물의생성과응고가진행되면서솔더링이완 료된다. 그림 1-2 솔더링과정 - 9 -

10 솔더링의고품질화를유지하기위한필수적인요소로다음의 - 재료 : 피납땜물, 솔더, 플럭스 - 기계 : 솔더링장비, 솔더링도구 4 가지를들수있다. - 방법 : 플럭스비중, 솔더용융점, 예열온도, 솔더링온도, 레일각도등 - 사람 : 작업자, 관리자의지식과경험 PCB 의자동솔더링은정밀가공공정과는전혀다르다. 정밀가공공정은설게-재료 선택-정밀가공- 열처리공정으로품질을보증하지만, PCB의자동솔더링기술은아래 5 가지의요소기술로디자인되어야한다. - 플럭스기술 - 전기적기술 - 전자적기술 - 기계적기술 - 열유체적기술 이 5가지요소기술을생산하고자하는전자제품에맞게잘디자인하면무결점솔더링 을할수있다. 솔더링동안많은금속간화합물이구리패드와솔더사이에형성될수있는데특히솔 더링초기에형성되는금속간화합물은 wetting과 solderability 에큰영향을미친다. 일 반적으로금속간화합물이형성되면계면에너지가낮아져 wetting 이잘일어난다. ( 그 림 1-3 참조) 그림 1-3 솔더링접합계면에서의금속간화합물

11 따라서금속간화합물의형성이양호한솔더링부형성에유리하게작용한다. 그러나 금속간화합물은일반적으로취성을갖기때문에너무두껍게성장하면오히려솔더 접합부의수명을단축시킬수있다. 금속간화합물은솔더링할때뿐아니라서비스 동안에도성장할수있어장시간신뢰성에영향을미친다. 따라서금속간화합물의종 류와성장속도에관한연구가오랫동안행하여졌으며주요한성분계의특성과 분계에서형성될수있는금속간화합물의특성을정리해보면다음과같다. 2원성 (1) Cu-Sn Cu-Sn 상태도에의하면 300 이하에서는금속간화합물상인 ε상과 η 상이안정하 지만 ε상은 25.7~27.1wt%Sn 의조성범위를가지면, 이는 Cu3Sn에매우가까운조성 이다. 또한, η 상은 44.8~45,5wt%Sn의조성범위를나타내는데이는 Cu6Sn 5 의조성 에해당한다. 이러한상들은 Arrhenius 관계로성장하며, 90~170 의온도구간에서 Cu 6 Sn 5 의성장에필요한활성화에너지는 활성화에너지는 성장하는것을의미한다. 0.41~0.5eV 이고, Cu 3 Sn의성장에필요한 1.06~1.27eV 이다. 이는 Cu 6 Sn 5 가 Cu 3 Sn보다이온도구간에서더잘 (2) Bi-Cu Bi-Cu계의경우 99,5wt%/Bi의조성인 270 에서공정반응을보일뿐 Bi는 Cu와금속 간화합물을형성하지않는다. (3) Cu-In 300 이하에서세가지금속간화합물상이형성된다. δ상은 28~31wt%In의조성을 갖고, η 상은 35~39wt%In 의조성을가지며, ψ 상은 41~42wt%In 의조성을가진다

12 (4) Sn-Zn Sn-Zn계의경우 9wt%Zn의조성인 198 에서공정반응이일어난다. Zn 내의 Sn 용 해도는 0.05wt% 이하이며, Sn 내의 Zn의최대용해도는약 2wt% 이다. Zn-rich 상이 pure Zn 이기때문에 Zn과Cu 사이의금속간화합물은 Sn-Zn 솔더가 Cu 기판에사용 될때생성될것으로예상된다. (5)Ag-Sn Ag-Sn에서는 Sn-3.5wt%Ag인 221 에서공정반응이일어난다. Sn-rech 금속간화 합물상인 ε 상의명목상조성은 Ag3Sn이지만 Sn 조성은 25.26wt% 로유동적이다. (6) Cu-Zn 주된성분은아닐지라도무연솔더는 Zn, Ag, Sb 그리고 Mg와같은미량원소들을함유 할수있으며, 이들과구리와의반응성을살펴보는것도필요하다. Cu-Zn 계의경우세가지중간상이넓은조성범위를가지고형성되지만이들을금속간 화합물이라고칭하지않는다. Ag-Cu계는 Pb-Sn계화유사하게공정반응을보이나아 무런금속간화합물을형성하지않는다. 그러나 Sb는 Cu와두가지중간상을형성하게 되는데그중의하나인 ε상은 18.3~19.7wt%Sb 를가지며, 또다른중간상은 32.5~33.4%Sb의조성범위로서 Cu 2 Sb 에해당한다. 다. 솔더의퍼짐성과젖음성시험법 부품에대한젖음특성을평가하는데는여러가지방법이사용되어왔으며, 다음의 6 가지방법이주로사용되고있다. (1) 평형법 (Wetting balance method) 평형법은부품에대한젖음성을평가하는가장객관적인방법이라고할수있으며, 이 것은시료를미세한 Ioad cell에고정시키고이것을용융솔더에침지후일정시간을유 지한다. 이후솔더가시료의표면에젖음을일으키는동안의젖음력을단위길이에대 한힘의단위로평가하는방법으로써, 젖음력을평가하는방법중가장객관적으로평 가할수있는방법이다. 최근들어전자부품업체나반도체제조업체의경우이러한방 법의평가장비를생산공정중에 가하고있다. ( 그림 1-4 참조) In-Line화함으로써생산된제품의솔더링특성을평

13 그림 1-4 전자부품 lead wire 의젖음성시험기 (2) 글로블시험법 (Globule method) 가장오래된방법으로원형단면을가진부품의젖음시간측정법, 가열된 block안의 철판위에 235 의용융솔더의 droplet 이나글로블(globule) 을사용한다. 플럭스가 도포된 wire가수평으로내려와솔더를 2 개로나누게된다. 이때 wire가 wetting되지 않으면글로블은 2 개로나뉜채로남아있고, 젖음이되면글로블은서로만나하나가되 며, 이때소요되는시간으로젖음력을평가하게된다. ( 그림 1-5, 1-6 참조) 그림 1-5 Globule test 장비그림 1-6 Globule test process (3) 회전침지시험 (Rotary dip method) 회전침지시험은그림 1-7과같이인쇄회로기판재료와같은편편한표면의젖음성시 험에적합한시험방법으로시편은용융솔더위의수평축에대해원형경로를따라움 직인다. 시편과 solder bath 와의접촉시간은시편지지팔의길이와회전속도, 기타방 해물등에따라변화가능하다. 지지팔의회전속도에따라기판등의시험재의침지시 간이결정되며, 침지시각도또한기판의고정각도로결정할수있다. 이러한시험방법 의장점은인쇄회로기판과같이편평한재료의표면에대한젖음력을측정할수있는 장점이있다

14 그림 1-7 Rotary dip test 장비 (4) 표면장력시험법 (Meniscus method) 표면장력시험법은그림 1-8과같이와이어조각을용융솔더에수직으로담글때와이 어표면에젖음이발생되면 meniscus 는위로올라올것이다. 이때솔더가올라오는 높이를레이저빔등을이용하여측정하여, 이를젖음력으로평가한다. 그림 1-8 Meniscus rise up method

15 (5) 퍼짐성측정법 (Area of spread method) 그림 1-9와같은퍼짐성측정법은솔더합금에의한모재의젖음성을쉽고빠르게얻 기위해생산품과실험실에서사용되는방법이다. 이방법은모재를알고있는경우플 럭스효율성을결정하는데사용되기도한다. 이미알고있는모재에대해용융솔더액적을떨어뜨린후솔더가펴져나간면적과솔 더의높이를측정하여퍼짐성을평가하는방법이다. 이러한퍼짐성은모재와의젖음성 이우수할수록또는플럭스의활성화도가높을수록용융솔더가넚은면적으로퍼져나 가는것을이용하여착안된방법이다. 여기서 S는 Spread factor, D는 Diameter of hypothetical sphere unter test S는 related to the contact angle 그림 1-9 퍼짐성측정법 (6) 에지딤시험법 (Edge dip method) 에지딥시험법은그림 1-10과같이시험하는방법으로서젖음성시험중가장간단하 며일반적인방법으로시편을부분적으로솔더에침지후솔더가묻은표면을육안으 로평가한다. 침지는주로손으로하지만자동기계를이용하여침지조건을보다정확 히할수있다. 모든전자부품에사용가능하며영구젖음, 비젖음을시험하는데적절하 지만평가방법이어렵다는단점이있다

16 그림 1-10 Edge dip method Sn-Ag-Cu는 Sn-Pb 보다퍼짐성/ 젖음성이낮으며그이유는다음과같다. - 표면장력은 Sn-Pb 솔더의경우보다 Sn 함량이많은합금이더크기때문이다. - 성분조성이피크온도를제한하기때문에과열의가능성이작다. - Sn-Pb를 Sn-Pb 에솔더링하는대신에, Sn-Ag-Cu를침적Ag 또는침적Sn, OSP Cu, NiAu 등에솔더링하기때문이다. 비록젖은작용이패드의구석에까지확장되지못하지만, 조인트강도는양호하며, 표 면장력이높기때문에솔더내부에갇혀있던가스가솔더로부터외부로탈출하기가더 욱힘들며이로인해서보이드의정도가더욱심화된다. 특히표면장력이높으면툼스 톤(Tomb stone) 현상을초래할수있다. 2. 신뢰성검사 신뢰성이란특정아이템( 기능, 성능등) 이주어진기간동안주어진조건에서요구기능 을수행할수있는가능성으로정의되며, 무연솔더적용제품의신뢰성평가항목및목 적은표 1-2 와같이정리할수있다. 여기서아이템은개별적으로고려되는단품, 디바 이스, 시스템, 장비, 소프트웨어등을언급하며, 시간이란아이템의특성에따라사용 회수, 거리및사이클등이될수있다. 주어진조건이란아이템을사용하여폐기될때 까지그기능과성능에영향을줄수있는모든조건이되며, 예를들어환경조건으로 온도, 습도, 진동, 충격등이해당된다. 부품의경우완제품제조공정도포함된다

17 이러한개념에서볼때솔더접합부의신뢰성이란인쇄회로기판과부품을접합한솔더 는그제품이사용되는사용환경하에서제품의수명기간동안어떠한결함도솔더접 합부에발생하지않고제품폐기까지전기적회로를연결할수있도록부품과인쇄회 로기판이접합되어있을것인가를나타내는것이다. 솔더링과관련된소재로대표적인것은솔더, 플럭스, 기판, 기판상의패턴등이며, 이 것은곧솔더링부의신뢰성과직결된다. 표 1-2 무연솔더적용제품의신뢰성평가항목및목적 시험구분신뢰성시험기계적특성평가고장분석전기적특성평가 열충격시험 시험평가항목 시험목적 항온항습시험온도, 습도에인가에의한신뢰성평가 / 열사이클시험열적스트레스에의한접합부신뢰성평가 HALT, HAST(PCT 시험) 취약부스크리닝검사 이온마이그레이션시험 이온마이그레이션민감도평가 45도리드인장강도시험 QFP 등솔더접합강도평가 전단강도시험 굽힘강도및피로시험 침부품의솔더접합부전단강도평가 기판휨에의한굽힘강도평가 진동/ 낙하/ 충격시험제품의진동충격등에의한접합부평가 단면마이크로섹셔닝접합부균열검사, 금속간화합물두께측정 광학계현미경분석 SEM EDX 분석 성분분석 접합부현미경관찰 접합부고배율관찰 정성적성분분석 2D, 3D X-선비파괴검사솔더접합부결함검사 초음파비파괴검사 솔더젖음성시험 솔더열분석 솔더접합부결함검사 부품의솔더에대한젖음성평가 솔더의융점분석 저항/ 절연저항/ 내전압등측정부품및제품의정격특성검사 제품기능및성능평가양품, 불량/ 고장확인을위한특성검사 솔더링후의접합부검사로는크게비파괴검사, 파괴검사, 신뢰성검사로나눌수있 다

18 가. 육안검사 육안검사는일반적으로가장자주사용되며, 검사를위해서는배율약 2~3배의확대경 이나기판을고정시킬치구, 10 배정도의저배율현미경이필요하다. 검사할항목으로 는솔더접합부의외관형상, 부품의경사나위치이탈, 배선의이상, 부품의열화등이 있다. 육안검사를효율적으로수행하기위해서는미리검사용지를마련하고, 이에따 라검사를행하여가는것이바람직하다. 확대경이나현미경을사용하는경우, 현미경의배율이나램프의밝기, 빛의방향등에 따라솔더링표면이다르게보일수있으므로주의한다. 나. X 선투과검사 균일은응력집중부에서발생하여솔더의약한부분을통해전파하기도하고, 솔도의 응고수축시불순물이농축된결정입계에서발생하기도한다. 입계균열은결정입계에 발생되거나결정입계를통과한균열로서입계의강도가입내의강도보다약하기때문 에발생된다. 기공이나기포의발생원인은다음과같다. 즉, 용융된솔더에는많은양의기체가녹아 들어갈수있는데, 용융된솔더가응고될때기체의용해도가감소되므로용해도차 만큼의기체는기포로서솔더중에빠져나오게된다. 기기포는솔더가완전히응고될 때까지솔더에서빠져나오지못하면기포로서솔더내에갇히게된다. UBM층의박리나절연층의파괴는솔더링접합부에응력이가해질때 UBM층이나절 연층의강도가약하거나솔더링부의강도가지나치게강할경우에발생할수있다. X선 투과검사는외관검사만으로는내부에발생된균열을검사할수없기때문에도입된 결함검사법이다. 특히최근의 BGA(Ball Grid Array) 나 CSP(Chip Scale Package) 등 과같이 어렵기때문에 PCB에면실장된부품들은각단자들을결합상태의외부결함도외관관찰로는 X 선투과검사가효과적이다. 또한, 부품내부단자의와이어본딩상태 나기포등의결함등도조사할수있는방법이다. X선투과검사기는 X선투과원리와 영상처리기술을응용하여자동으로고속검사를함으로서내부결함을검사하는데, 최 근에는 3 차원으로검사하는장비도출현하여결함검출방법이더욱발전하고있다. 그 림 1-11과같은 3-D X선투과시험장치는다층기판의중복패턴이나 BGA실장기판의 볼접합부등을통해내부구조를용이하게파악할수있다

19 그림 D 엑스레이에의한솔더링부의분석 다. 현미경조직검사 솔더링접합부는솔더금속과리드, 동패드등금속부로이루어져있다. 이러한금속부 는용융, 응고, 사용중시효과정을거치면서기체와의반응이나불순물집적에의한 결함, 확산을통한금속간화합물의생성과성장등복잡하고많은현상이발생한다. 이러한현상들은많은연구와노력으로정밀하게제어하여솔더링부의신뢰성을높이 고자노력하고있으나근본적으로발생을피하기는어렵다. 따라서솔더링접합부의 신뢰성을높이기위한방법으로솔더링부의금속조직을조사한다. 금속조직의검사절 차는먼저관찰하고자하는금속부를다이아몬드휠컷트와같은절단기로절단하거나 연마하여단면을드러나게한다. 드러난단면부는수지류로고정한후단면을거울과 같이경면으로잘연마한다. 경면연마된단면은그대로또는부식시켜조직을현미경 으로관찰한다. 관찰하고자하는금속조직의배율에따라저배율인경우광학현미경 을고배율이거나입체적인형사의경우나성분분석은전자현미경을사용한다. 광학현미경조사는대개 50~1000 배의배율로확대하여조직이나결함, 대략적인계면 층등을관찰할수있다. 반면, 솔더나계면등금속내의더욱미세한조직이나석출 물, 미세결함또는 3차원적인형상을관찰할때에는주사전자현미경을사용하여약 50 배에서 100,000 배까지확대하여관찰및분석을실시하고있다. 솔더링부를비롯한접합부에대하여정적인강도를평가하는방법으로인장시험, 전단 시험, 박리시험등이널리사용되고있다

20 라. 인장시험 인장시험은솔더링접합부의경우기판과 45 O 의방향으로접합된리드를당겨시험한 다. 인장시험은변형속도를변화시킬수있는일반적인인장시험기를사용하요시편이 파괴될때까지일정한속도로당긴다. 일반적으로인장강도는재료의인장시험에서시험편이파단에이를때까지의최대인 장하중을시험편에하중을가하기전의재료의단면적으로나눈값을말하는것으로 재료강도기준의하나가된다. 그러나솔더링부에서는솔더링부의원단면적을구하는 것이쉽지않기때문에인장하중을구하여사용하는경우가많다. 인장시험을행하는접합부는보통재현성이있어야하며, 가장알기쉽게응력이걸리 는쪽을택하며, 제품과동일한견본을제작하여각각의규격에맞는인장강도의목표 값을설정하여평가한다. 마. 전단시험 솔더볼의전단시험은솔더링부의접합강도평가뿐만아니라, 접합부의파단이계면을 따라발생하기쉬우므로접합계면의특성을파악하는데도도움이되는접합법이다. 또한접합계면의파단형상이나기공의존재등도파악할수있다. JEDEC 의솔더볼전단시험법에서는전단시험장치의팁과기판과의거리를적어도 0.05mm 이상으로하되기판으로부터볼지름의 1/4 이상떨어져서는안되며, 볼의접 합부높이에서볼의반지름을뺀값의 1/2 만큼의간격을유지하도록하고있다. 바. 박리시험 솔더링된전자부품을당겨박리시켜서전자부품접합부의접합강도를정량적으로평 가할수있는방법이다. 파단상태로부터강도가충분한지, 접합계면의박리및접합상 태의양호여부를판단할수있다. 박리시험은기판상의전자부품접합용단자의강도를평가하는데사용하기도하고, 기 판에형성되는레진등유기피막의발리강도를평가하는데사용되기도한다

21 사. 굽힘시험 기판은사용중휘는현상이발생할수있기때문에이러한상태에서전자부품의접합 강도를측정하는데에굽힘시험법이사용될수있다. 삽입실장부품의굽힘시험에서스팬은 45, 90mm 로하고, 하중을가하는속도는 5mm/min, 기판및부품의크기, 랜드형상은각자실험목적에맞게설정할수있다. 3. 무연솔더의개발 납이포함된합금은기원전 3000 년경이집트에서사용되었다는보고가있으며, 산업 혁명과더불어그사용량도날로증가하고있는추세이다. 주석-납계유연솔더는오랜 기간동안인쇄회로기판에부품을실장할때접합재로사용되어왔다. 그러나지구의 환경오염이가속화되어산성비가내리게되면서납사용에대한문제점이발견되었고 급기야는납사용규제에이르렀다. 즉그림 1-12 에서와같이전자제품을폐기하고, 난후솔더에포함된납이대기중에서산화납으로산화된후산성비에포함된황산이 나질산과결합하여황산납혹은질산납으로용출되어지하로스며들어지하수를오염 시킨다. 이오염된지하수를인간이마시게되면인체에흡수된납이빈혈증, 신장기능 의장애, 소뇌및모세혈관신경조직의변화, 말초신경조직의이상, 유산, 조산, 유아의 지능저하, 성장둔화등의치명적인문제를초래하게된다. 우리나라의주요수출시장인유럽연합(EU) 의환경관련무역조치가점차적으로강화됨 에따라이에대한대책이시급한것으로지적되고있다. 2001년우리나라의대 EU 수 출총액 196억달러중 70% 에이르는 124 억달러가환경규제적용대상이며, 이러한 추세는더욱증가할것으로전망되어이에대한대책이필요하다. 그림 1-12 납 (Pb) 용출및인체흡수과정

22 전자제품의경우 EU는소비자에의해사용된후소각이나매립되지않은전기ㆍ전자 제품들을생산자로하여금일정한비율로회수ㆍ재활용토록의무화한 WEEE처리 지침을채택한바있다. 아울러 2006 년부터납, 수은등의유해물질사용을전면 금지하고대체물질을사용토록규정하는 유해물질사용금지지침(RoHS)' 으로인해 VCR 1개품목만 1 조원대의추가비용이소요될것이라고전망한다. 지금까지문헌상으로보고된무연솔더합금은 Sn 이주성분을이루고있으며, Sn 다음으로 In과 Bi 가많은성분을이루고있고, Zn, Ag, Sb, Cu 그리고 Mg은미량 성분으로적용된다. 제조상의관점에서보면융점, 즉액상선온도는가장중요한 고려요소이다. 그이유는현재가장많이사용되는공정 Pb-Sn 솔더의융점이 183 와상이하게다른융점을갖는무연솔더가사용될경우기존장비는반드시새 장비로교체되어야한다. 무연솔더합금을선정할때고려해야할사항은일반적의로솔더를선택할때고려해 야하는사항과마찬가지로융점, 비용, 유독성, 젖음성등을비롯하여기계적특성, 전 기적특성, 열적특성등이있다. 무연솔더의표준적인합금으로는거의 Sn-Ag(-Cu) 계를중심으로보급이되어왔고, 기계적특성, 작업성이라는면에서보면가장우수한합금이다. 그러나이합금의용융 온도가높아부품의고온대응을하고공정개선을한다고하여도고온대응이아주어려 운부품이나다품종화된부품및박형화된기판등의대응에는여전히문제로남아있 다. 따라서부품이나프린트기판의내열성, 리플로온도의편차등을고려하여무연솔 더를실용화하기위해서는합금의융점을낮출필요가있다. 솔더의융점을낮추는방 법으로는일반적으로 Bi를첨가함으로써저융점화하는방법을여러가지로검토하고 있지만융점을낮추기위해서는 Bi 의첨가량이많아야한다. 따라서 Bi나 In을첨가한 Sn-Ag계나 Sn-Zn 계에대해서도꾸준한연구개발이필요하게되었다. 무연솔더는비교적기계적성질이양호하고예를들면 Sn-Pb 공정솔더의 1.5~2.0배 의인장강도를갖고, 크립특성이대체적으로우수하다는특징이있다. 또한기술개발 이시작되었던초기에는 Cu에대한젖음성이떨어지고퍼짐율에서 Sn-Pb계가약 90% 를확보하는것에비해서 Sn-Ag계및 Sn-Bi계는 80% 전후로다소떨어지고, Sn-Zn계는대기중에서 80% 이하까지도떨어지는등실용상사용하기어려운상황으 로향상되고 Sn-Ag-Cu라면거의 Sn-Pb 계솔더와동등수준까지도도달하고, Sn-Zn 조차도대기중에서플로솔더링이가능한상태까지개선이되었다

23 Sn계솔더에 Bi를첨가하면공정점이 139 부터 232 까지매우광범위한융점을 갖는합금을만들수있다. 조직은공정조성이라면단순한 Bi/Sn 공정조직으로되지 만, Sn 메트릭스중에다량의 Bi가고용되는것도다른합금계에서는찾아볼수없는 특징이다. 덧붙여서 Sn-Bi 공정합금도메인프레임실장에 29년이상사용해온실적 을갖고있다. Bi를 7.5% 까지첨가한것은 에서흡열피크가있고합금내애서일부용융된 다. 이것을 Bi가 Sn 중에균일하게용해되지않고편석되기때문에합금내에서 Sn-58Bi 의공정( 융점 138 ) 에가까운조성( 저온조성) 이생겨합금내에융점이낮은 것이존재하기때문이라고보여진다. 이와같은것이합금내에존재하면고온에서의 열피로특성이저하되고, 접합강도등이저하되는요인이된다. Bi 대신 In을 8% 첨가한것은합금의융점보다낮은부분에서흡열피크는없으며합금 내에서일부용융되는것도있다. 이것은 In가 Sn 중에균일하게용해되기쉽고편석등 이발생하기어렵기때문이라고보여지며열피로특성등의저하가적다고할수있다. In 의첨가량을늘리면합금의융점은낮아진다. 합금특성은 Sn-Ag-Cu와큰차이가 없고연신율의저하도적다. 합금의연신율은솔더접합부의열충격시험에크게영향 을미친다고볼수있으며솔더의연신율이낮으면열충격을가했을때기판과부품전 극과의열팽창계수의차이에의한변형을흡수할수없어크랙등의분제를발생시킬 가능성이있다. Bi량을많이한것은신장의저하가커져솔드의접합신뢰성저하가우 려된다. In의첨가는 Bi와비교해서신장특허저하가적고저온공정도발생되기힘든장 점이있어 Sn-Ag-Cu 솔더에비해 In, 첨가는합금의금속특성을그다지저하시키지 않고저융점솔더합금을설정할수있다. 저융점화한 Sn-Ag-In-Bi 계열무연솔더에있어서도종래의 Sn-Pb 공정솔더에비해 융점이높기때문에솔더링성에영향을미치는활성화제의활성화온도조정이필요하 다. 구체적으로는활성화제로사용되고있는유기산이나할로겐계활성화제의분해온 도를높게설정할필요가있다. 리플로온도프로파일은최고온도를최대한낮추기위 해기관의온도차를가능한작게하는것이중요하다. 그리고기판상의온도편차를작 게하기위해예비가열온도를높게하는방법이일반적으로사용되고있다. 고온예열 의온도프로파일에서도양호한솔더링성을얻을수있는내열성이높은활성화제를 선택할필요가있다. 또한무연솔더는 Sn-Pb계열솔더와비교해서 Sn 의함유량이많아진다. Sn의산화물 은환원되기힘들기때문에무연솔더합금은젖음성이악화되는경향이있다. 무연솔 더를사용하여솔더페이스트화하는경우종래의 Sn-Pb 공정솔더에비해서활성력 을강하게해서양호한솔더링성을확보할필요가있으며각솔더의기초물성치를정 리하면표 1-3 과같이나타낼수있다

24 표 1-3 각솔더의기초물성비교 한편무연화에따른과제는솔도접합온도의고온화대응및무연재료특성과품질/ 신 뢰성검증등으로나눌수있다. 리플로솔더링에필요한접합온도와전자부품의내열온도와의온도폭( T) 은그림 1-13 에서와같은모식적인관계로결정된다. Sn-Pb 공정솔더의경우에는리플로솔더링에필요한접함온도를낮게억제할수있 기때문에 T가약 30 인데, 바꾸어말하면전자부품이파손될우려가있는온도까 지약 30 의여유가있었다. 반면 Sn-Ag-Cu 솔더의경우에는접합온도가높아지기 때뭍에 10 정도의 T 가필요하며, 보다대형인서버용프린트기판이나탑재부품 의열용량차가큰것에서는기존솔도와동등한 T가 20~30 레벨에달할경우가 있다.( 그림 1-14) 이때문에무연에대응한부품의내열성은고온화가필요하다

25 그림 1-13 리플로솔더링온도의고온화 그림 1-14 리플로솔더링시전자부품의온도

26 제 2 장연구목표및연구내용 제 1 절연구목표 본연구에서는저융점계 Sn-Bi-In-Cu계무연솔더페이스트에대하여유연솔더페이 스트대비퍼짐성등 85% 수준및신뢰성(RS D 0026) 을만족하고기존 Sn-Ag-Cu계 무연솔더퍼짐성수준의 다. 105% 를달성하는것을목표로하여다음의연구를진행하였 제 2 절연구내용 본연구를통하여저융점계무연솔더페이스트의특성을파악하고이의개선을통하 여신뢰성평가를실시하며, 기존의 Sn-Ag-Cu계무연솔더퍼짐성수준의 105% 를달 성하는것을목표로하여다음의 ldusrn 를진행하였다. - Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더/ 기존무연(Sn-Ag-Cu 계, 외산) 및유연솔더와품질및신뢰성특성비교 - 금속/ 플럭스성분에따른 Sn-Bi-Cu-In계제조및품질특성과신뢰성평가 - 최적 Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더제조조건도출

27 제 3 장연구결과 제 1 절저융점 Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더개선및특성분석 종래의 Sn-37Pb 공정합금( 융점 183 ) 부근의융점을갖는무연솔더로는 Sn-8,8Zn ( 공정온도 199 ), Sn-3.5Ag(221 공정), Sn-0.75Cu(227 공정) 등이있다. 중온계 Sn-Bi-Cu-In계무연솔더는융점이 205~226 로용융온도가높아부품의고온대응 을하고공정개선을한다고하여도고온대응이아주어려운부품이나다품종화된부 품및박형화된기판등의대응에는여전히문제로남아있다. 따라서부품이나프린트 기판의내열성, 리플로온도의편차등을고려하여무연솔더를실용화하기위해서는 합금의융점을낮출필요가있다. 솔더의융점을낮추는방법으로는 Bi/Sn 공정조직의 로되지만, Sn 메트릭스중에다량의 Bi가고용되는것도다른합금계에서는찾아볼수 없는특징이다. 기존의중온계 Sn-Bi-Cu-In계무연솔더의조성은 Sn-1.7Bi-0.Cu-0.6In으로 Bi가 1.7% 포함되어있다. 본연구에서는 Bi 함량을증가시켜융점을강하시키고자하였다. 저융점계 Sn-Bi-Cu-In계무연솔더페이스트에대한 ICP-AES 성분분석결과는표 3-1 과같다. 표 3-1 저융점계 Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더페이스트의 ICP-AES 성분분석결과 (wt%) 성분 Sn Bi In Cu 함량 (wt%) 그림 3-1은솔더분말의형상을관찰한것으로전체적으로 20~25μm의크기를가지고 있으며매끄러운표면을가진구형의분말임을확인하였다

28 그림 3-1 솔더분말의형상 솔더볼시험은 JIS 을기준으로실시하였다. 기판은 50x50x0.5(mm) 의세라믹판을사용하였고, 스텐식은 0.65φ x0.2mm로 4점을 인쇄한후핫플레이트를이용하여 270 까지가열하였다. 솔더볼판단은솔더볼시험 결과 0.13mm 이상의크기를가지는것을기준으로하였다. 그림 3-2는솔더볼시험전 후의형상을나타내었다. 그림 3-2 솔더볼시험전후형상 본연구에서사용된저융점계 Xn-Bi-Cu-In계무연솔더페이스트에대한솔더볼시험 을실시한결과초기에는그림 3-3과같이 15 개의솔더볼이형성된것이관찰되었다. 이를개선하기위한시도로종래의중온계 Sn-Bi-Cu-In계무연솔더페이스트의경우 표면산화가발생시솔더볼현상이발생하는현상을근거로솔더분말의표면산화를 방지하기위한공정제어를통하여생산된솔더분말을적용하였다. 그림 3-4은개선 된솔더페이스트에대한솔더볼시험결과를나타낸것으로개선품의경우솔더볼은 2 개로상당히감소한것으로나타났다

29 그림 3-3 솔더볼시험결과 ( 기존제품 ) 그림 3-4 개선된무연솔더페이스트의솔더볼시험결과 제 2 절저융점 Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더융점평가 기존의중온계 Sn-1.7Bi-0.Cu-0.6In 무연솔드페이스트의 DSC 분석결과융점이 26 인것으로확인된바있다. 본연구에서는저융점계 Sn-Bi-Cu-In 무연솔더페이스트의 DSC 열분석을실시하였 다. 그림 3-5는 DSC 분석결과를나타낸것이다. 페이스트의용융반응은 125 에서부 터시작되어계속되는가열에의한용융과정으로세개의흡열피크가나타났으며 180 부근에서용융과정이끝나는것으로파악되었다

30 그림 3-5 무연솔더페이스트의 DSC 분석결과 합금성분의경우 Bi 의첨가는강도를증가시키나연신율이나내시효성은떨어지며, Bi,In의첨가는합금의강도와연신의균형은이루어지나 In 이고가이고, 웨이브솔더링 용으로는적절치않은면이있다. Bi를 7.5% 까지첨가한것은 에서흡열피크가 있고합금내에서일부용융된다. 이것은 Bi가 Sn 중에균일하게용해되지않고편석되 기때문에합금내에서 Sn-58Bi 의공정( 융점 138 ) 에가까운조성( 저온조성) 이생겨 합금내에융점이낮은것이존재하기때문이라고보여진다. 본연구에서의저융점계무연솔더의경우기존의 Sn-Pb합금의융점 183 에매우근 접하여프로세스온도측면에서는유리하게작용할수있을것으로판단된다

31 제 3 절저융점 Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더퍼짐성분석 본연구에서는저융점계무연솔더페이스트의특성을파악하기위한항목으로퍼짐성 에대하여실험을실시하였다. 무연솔더페이스트는솔더분말이플럭스와혼합된것으로플럭스는솔더링부의청정 화및재산화방지등의효과도있어야하지만가장중요한것이퍼짐성이다. 즉, 솔더 ( 땜납) 가동판위에서잘퍼져야접합이원활하게이루어지기때문이다. 퍼짐성은그림 실험은그림 3-6 에서와같은방법을이용하여측정하였다. 3-7에서와같이동판위에스테인레스강재질의마스크를이용하여페이 스트를일정한높이로도포한후가열후측정을실시하였다. 퍼짐성실험결과는그림 3-8 과같다. 그림에서알수있듯이저융점계무연솔더페이 스트의퍼짐성지수는평균약89.6% 정도로나타났으며, 88~90% 범위를보여주고있 다. 이와같은퍼짐성은기존의무연솔더인 Sn-3Ag-0.5Cu 페이스트보다 116%( 연구 목표 105%) 우수하며, 유연솔더 Sn-Pb 페이스트에대비해서는 86% 수준으로연구 목표인 85% 를달성하였다. 한편, BGA chip에솔더볼을접합시에는적당한퍼짐성을보이는것이가장중요한데 그이유는퍼짐성이너무좋으면, 주변의솔더볼과섞일수있기때문이다. 본연구에 의한성분계는기존제품이나타내는적정한퍼짐성확보가가능함을알수있었다. 그림 3-6 Spreadability test 여기서, H: 퍼진 solder 의높이, D: solder를원형으로보았을때의직경

32 그림 3-7 퍼짐성시험준비를위한마스크형상및실험전모식도 그림 3-7 퍼짐성실험전후 ( 좌 : 실험전, 우 : 실험후 ) 제 4 절 Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더강도평가 솔더페이스트의강도평가는당김시험을이용하여통상적으로평가하고있다. 인장시험은솔더링접합부의경우그림 3-9에보인바와같이기판과 45 O 의방향으로 접합된리드를당겨시험하였다. 인장시험은변형속도를변화시킬수있는일반적인 인장시험기를사용하여시편이파괴될때까지일정한속도로당겼다

33 그림 3-9 Lead 인장시험방법 일반적으로인장강도는재료의인장시험에서시험편이파단에이를때까지의최대인 장하중 Fmax 를시험편에하중을가하기전의재료의단면적( 원단면적) A0로나눈값을 말하는것으로재료강도기준의하나가된다. 그러나솔더링부에서는솔더링부의원단면적을구하는것이쉽지않기때문에인장하 중 Fmax 를구하여사용하는경우가많다. 인장시험을행하는접합부는보통재현성이있어야하며, 가장알기쉽게응력이걸리 는쪽을택하며, 제품과동일한견본을제작하여각각의규격에맞는인장강도의목표 값을설정하여평가한다. 그림 3-10은인장시험용 QFP 시험기판을보인것이다. 본연구에서는 QFP 시험편에대한인장시험을실시한결과표 3-2와같은결과를얻 었으며, 평균 1082 gf로써기준강도 1000 gf 를초과하는것으로나타났다. Pull test 표 3-2 QFP 시험편에대한인장시험결과 Avg (1000gh 이상 ) 단위 : gf

34 그림 3-10 당김시험용 QFP 부품형상 그림 3-11 당김시험용 QFP 시험기판

35 제 5 절저융점 Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더신뢰성평가 솔더링제품의품질관리와신뢰성확보를위해서는제품제조시의공정관리외에도, 제품과부품의수준을평가할수있는시험검사방법이중요하다. 이러한시험검사는 부품이나제품의설계, 부품및제품의구입과관련한성능평가, 제품의제조완료후 에까지적용이필요하다. 특히, 최근전자제품의경박단소화에따른입출력단자수의 증가로솔더링부가미세화추세에있다. 그러나전자제품은경박단소화하더라도그 신뢰성은이전의제품과동등한수준이상이요구된다. 또한, 무연솔더를적용할경우 기존의유연솔더에비해솔더링불량이일어나기쉽다. 본연구에서의신뢰성평가는 RS D 0026 의 무연솔더페이스트신뢰성평가 규격집 에근거하여평가하였다. 1. 접합부제조및샘플링방법 솔더링의모든평가는평판접합부에대해평가하는것을원칙으로한다. 가. 원소재샘플링 (1) 솔더페이스트의샘플링 기본성능및내구성는평가시험에필요한솔더페이스트는솔더페이스트제조공정을 대표할수있는데필요한최소의양으로하였다. (2) 접합에사용되는시편의표준 접합될대표적인패키지의종류및 PCB 기판등은특별히규정하지않는한표 3-3 및 그림 3-12 를따르도록하였다. 나. 접합부제조 접합부제조조건등은사용자에따라달라질수있으므로특별히규정하지않으나리 플로우프로파일은예열구간의경우 150~180 에서 110 초, 솔더링가열구간은 217 에서 40 초, 피크온도는 245 에서 4 초로하였다

36 표 3-3 시편의표준

37 (a) QFP

38 (b) MLCC

39 (C) BGA 그림 3-12 접합부시험편형상

40 다. 접합부시료샘플링및형상 샘플링시료는대표성을띄는롯드에서채취한솔더를이용한접합부에대해패키지당 최소 10개이상의 lead 에대하여시험하였다. 시험편은실제제작및사용조건을고려 하여사용하되신뢰성시험시시편형상은그림 3-13 을권장한다. 그림 3-13의 (a)~(c) 는실험에사용되는기판의형상을나타낸다. 그림 3-13 접합부기판시료도면

41 라. 접합부저항측정 접합부의저항측정은각각의접합부를연결한데이지체인단자의양쪽을측정한다. 특별히규정하지않는한통상적인멀티메터를이용하고 2 와이어혹은 4 와이어를사 용할수있으며, 2 와이어의경우전선의저항은샹쇄시켜준후측정한다. 그림 3-14의 (a) 는 multimeter 이고, (b) 는 LCR meter 이다. 저항측정은그림 3-15에서와같이시 험기판의측정단자를통하여실시하였다. 그림 3-14 저항측정장치 그림 3-15 각부품의저항측정을위한측정단자

42 2. Lead 인장시험 솔더링부의접합부에대한정적인강도를평가하는방법으로인장시험을실시하였다. (1) 실험방법및기준 접합후별도의처리없이 10일이내측정시인장강도는 5Mpa 이상이어야한다. 그림 3-16의 lead 인장시험기로시험하고, 20 개이상의리드에대해, 대략 10mm/min 의 속력으로측정한다. 구체적인시험방법은 JIS-Z-3198 규격에따른다. (2) 시편의종류 표 3-3의 QFP 시험편을사용한다. (3) 결과 본연구에서는 QFP 시험편에대한인장시험을실시한결과표 3-4와같은결과를얻 었으며, 평균 MPa로써기준강도 5MPa 을만족하는것으로나타났다. 그림 3-16 QFP lead 인장시험기 ( 모델명 : RHESCA STR1000)

43 표 3-4 Lead 인장시험결과 단위 [MPa] 3. 열싸이클시험 (1) 실험방법및기준 반복열사이클시험후접속저항증가가초기측정치대비 2배이하이어야하며저항측 정은접합부저항측정항목을따른다. -35 에서 30분 105 에서 30분씩방치하는 것을 1사이클로하여 900 사이클후전기저항변화를측정한다. 세부사항은 IEC (Basic environmental testing procedures, Part2) 를따른다. 그림 3-17 은열싸이클시험기의외관을나타낸것이다. 그림 3-17 열싸이클시험기외관 (2) 시편의종류 그림 3-12의 QFP, MLCC, BGA 시험편을사용한다

44 (3) 결과 열싸이클시험후저항값이 2 배이하로기준치를만족하였다. 그림 3-18은시험전후 저항값을나타낸다. 표 3-5 열싸이클시험결과 (BGA, QFP) 표 3-6 열싸이클시험결과 (MLCC)

45 BGA 열싸이클시험 QFP 열싸이클시험 MLCC 열싸이클시험 그림 3-18 열싸이클시험결과 4. 고온방치시험 (High Temperature Suorage Test) (1) 실험방법및기준 고온방치시험후시험후접속저항증가가초기측정치대비 2배이하이어야하며저항 측정은 6.4 항을따른다. 100 에서 500 시간방치한후전기저항변화를측정한다. 구체적인방법은 (2) 시편의종류 MIL-STD-202F, Method 108A( 고온시험방법) 을따른다. 그림 3-12의 QFP, MLCC, BGA 시험편을사용한다. (3) 결과 고온방치실험후저항값이 2 배이하로기준치를만족하였다. 그림 3-19는시험전 후저항값을나타낸다

46 표 3-7 고온방치시험결과 (BGA, QFP) 표 3-8 고온방치시험결과 (MLCC) BGA 열충격시험 QFP 열충격시험

MLCC 고온유지시험 그림 3-19 열싸이클시험결과 5. 마이그레이션시험 (1) 실험방법및기준 시험후마이그레이션이발생하지않아야한다. 온도 40±2, 상대습도 90~95%, 1000시간유지또는 80±2, 상대습도 85~90%, DC 45~50V, 1000 시간유지, 구체 적인시험방법은 KS D 6773의부속서14 에의한다.

47 MLCC 고온유지시험 그림 3-19 열싸이클시험결과 5. 마이그레이션시험 (1) 실험방법및기준 시험후마이그레이션이발생하지않아야한다. 온도 40±2, 상대습도 90~95%, 1000시간유지또는 80±2, 상대습도 85~90%, DC 45~50V, 1000 시간유지, 구체 적인시험방법은 KS D 6773의부속서14 에의한다. 그림 3-20D은이온마이그레이션 시험을시행한항온항습기장비이다. (2) 시편의종류 KS D 6773 부속서 3의빗살모양전극기판을사용하며솔더링온도는시험할페이스 트의액상선온도 +48~52 혹은접합부제조조건에따른다. 그림 3-21은이온마이 그레이션시험에사용된시편의형상이다. (3) 결과 이온마이그레이션시험전초기저항값은 온마이그레이션시험후의저항값역시 그레이션현상이발생하지않은것으로볼수있다. Overflow(100M Ω이상) 가나왔다. 이로써이 Overflow(100M Ω) 가나왔다. 이로써이온마이

48 그림 3-20 온습도시험기외관 (a) 시편형상 (b) 시편도면 그림 3-21 마이그레이션시험용기판 6. 열충격시험 (1) 실험방법및기준 시험후접속저항증가가초기측정치대비 2배이하이어야하며저항측정은접합부저 항측정항목을따른다. -40 에서 30 분유지, 5 분이내승온, 125 에서 30 분유지, 5 분이내냉각, 1 싸이클. 총 500회반복하며구체적인시험은 MIL-STD-202C-107를 따른다.( 그림 3-22)

49 그림 3-22 열충격시험방법 T A t 1 : 저온시험의온도 -40 : 30 분 T B t 2 : 고온시험의온도 125 : 5 분 그림 3-23 열충격시험기외관 ( 모델명 : ATTS-300) (2) 시편의종류 그림 3-12의 QFP, MLCC, BGA 시험편을사용한다. (3) 결과 열충격시험후저항값이 2 배이하로기준치를만족하였다. 그림 3-24는열충격시험 전후저항값의변화를나타낸다

50 표 3-9 열충격시험결과 (BGA, QFP) 표 3-10 열충격시험결과 (MLCC) BGA 열충격시험 QFP 열충격시험

51 MLCC 열충격시험 그림 3-24 열충격시험결과 7. 기판굽힘시험 (1) 실험방법및기준 1,000사이클시험중혹은시험후접속저항증가가초기측정치대비 2배이하이어야 하며저항측정은접합부저항측정항목을따른다. 시험방법은그림 3-25와같이하며 조건은표 3-11 과같다. (2) 시험편의형상 시험편의형상 시험편의 Board 크기는 100x30mm 이며, 사용되는 Package( 그림 3-25의 A) 는그림 3-12의 QFP, MLCC, BGA 시험편을사용한다. (3) 결과 시험편을 1,000싸이클굽힘시험을한결과시험후접속저항의값은 2배이하로기준치 를만족하였으며그림 3-25 는굽힘시험중실시간저항측정값을나타내고있다. 그림 3-25 기판굽힘시험법

52 표 3-11 기판굽힘시험조건 굽힘변위 받침대간격 굽힘횟수 3.0mm 90mm 0.63 회/ 초 그림 점굽힘피로시험기 그림 3-27 굽힘시험결과

53 8. 사용수명 본연구에서수행된시험항목및시험결과를정리하면다음과같다. 시험항목시험기준시험결과판정 1. Lead 인장시험 5MPa 이상평균 MPa 합격 2. 열사이클시험초기저항대비 2배이하초기저항대비 2 배이하 " 3. 고온방치시험초기저항대비 2배이하초기저항대비 2 배이하 " 4. 마이그레이션시험발생하지않을것발생하지않음 " 5. 열충격시험초기저항대비 2배이하초기저항대비 2 배이하 " 6. 기판굽힘시험초기저항대비 2배이하초기저항대비 2 배이하 " RS D0026 에따른각항목의평가시험기준을만족하는무연솔더페이스트는사용환 경에따라서사용수명의차이가있을수있지만신뢰수준 장할수있다. 90% 에서 B 10 수명 7년을보

54 제 4 장결론 1. 저융점 Sn-Bi-Cu-In계무연솔더는종래의중온계무연솔더와비교시 Bi의함량을 증가시켜융점을낮춘것으로, 중온계 Sn-Bi-Cu-In계무연솔더에서와같은솔더볼 현상이발생하였으나솔더분말의표면산화공정개선을통해솔더볼현상을저감시켰 다. 2. 저융점 Sn-Bi-Cu-In계솔더페이스트의플럭스함량을조절하여 Sn-3Ag-0.5Cu 솔더페이스트보다도오히려퍼짐성이우수(116%, 연구목표 105% 수준) 할뿐만아니 하 Pb-Sn 솔더페이스트대비해서는약 86% 수준( 연구목표 85%) 의퍼짐성을확보하 여저융점 Sn-Bi-Cu-In 계솔더페이스트를개선하였다. 3. 개선 Sn-Bi-Cu-In계솔더페이스트의경우 Sn-3Ag-0.5Cu 솔더페이스트대비 강도가유사할뿐아니라강도값도평균 1.1kgf로서연구목표인 0.8kgf 를달성하였다. 4. Bi 증가를통한저융점 Sn-Bi-Cu-In계성분조정을통해기존의유연솔더융점과 거의유사한제품을도출하였다. 5. 개선된저융점 Sn-Bi-Cu-In 계솔더페이스트의열사이클시험, 고온방치시험, 기 판굽힘시험및열충격시험등신뢰성시험결과시험후저항값이초기대비 기준치를만족하였다. 2배이하로 6. 각항목의평가시험기준을만족하는무연솔더페이스트는사용환경에따라서사용 수명의차이가있을수있지만신뢰수준 90% 에서 B 10 수명 7 년을보장할수있다

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<52535F445F FC1DFB0EDBFC2BFEB20B9ABBFAC20BCD6B4F520B9D928B0B3C1A4292E687770> RS D 0039 중고온용무연솔더바 해설서 RS D 0039 : 2005 신뢰성전문위원회심의 2005년 11 월 16 일개정산업자원부기술표준원발행 신뢰성전문위원회명단 성명 소속 직위 ( 위원장 ) 이순복 KAIST 교수 ( 위원 ) ( 간사 ) 고문수권수호권일수김재곤김정규김희진박동호서문호유동수이덕근이종희이중휘최희천 기술표준원산업자원부자동차공업협동조합 ( 주