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하균 진
6 years ago
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1 기술보고 주석휘스커성장메카니즘및억제방안 오철민 정재성 구기영 윤영호 황운희 홍원식 The Growth Mechanism and Mitigation Method of Sn Whiskers Chulmin Oh, Jae Sung Jung, ki-young Ku, Young-Ho Yoon, Un Hee Hwang and Won Sik Hong Harshness of service environment Humidity, temperature, shock, vibration) High Low Medical Equipment Cell phones 1. 서론 최근유럽연합의환경규제는전자산업에많은변화를 가져오고있다 년 월부터발효된 특정유해물질 사용제한지침 에따라일반전자제품내납 사용이제 한되어현재전자제품들은무연 화가되어있 다 최근에는 폐차활용지침 의개정으로 년부터자동차전장품 의납사용이제한되어자동차전장품의 무연화도활발히진행되고있다 전자제품을무연화하기위해서는많은사항들이고려 되어야한다 기술적인부분에서는부품설계 기판 설계 솔더링공정 솔더접합부신뢰성 주석 휘스커등으로구분할수있다 특히 솔더접합부장기신뢰성 및주석 휘스커억제가전자제품무 연화에따른제품의장기신뢰성에가장중요한문제로 부각되고있다 현재까지무연화가적용된상업용 민 수용전자제품은 과같이국방 우주용전자제품 보다사용조건이가혹하지않으며사용수명이상대적 으로짧은 년을목표로무연화에대한기술개발 을진행하고있다 사 에따르면전자부품시장은 산업이 Cars Network servers Desktop PCs Major Home Appliances Satellites Operational service life(years) Missiles Aircraft 가전산업이 자동차산업이 를차지하며국방 우주산업은 미만으로보고하고있다 따라서주요전자부품들은무연화기술이적용되고있으며환경규제에예외분야인국방및우주용전자제품에서도민수용전자부품을사용할수밖에없는실정이다 그러나 국방및우주용전자부품은민수용전자부품보다가혹한사용환경에서 년이상의수명을요구하고있어 무연화적용기술개발에서보다높은신뢰성을요구하게되었다 전자부품무연화에따른신뢰성은크게두가지로나뉠수있다 기존의유연 솔더에서납을제거한무연솔더로전자부품을실장함에따른솔더접합부신뢰성과기존의유연도금에서납을제거한주석도금적용에따른주석휘스커성장이다 휘스커는전기적단락 등을일으켜전자모듈의성능이상을유발한다 이것은일정시간잠복기를거쳐오랜시간동안계속적으로성장하는특성을가지고있다 따라서국방및우주분야와같은 년이상의사용수명을요구하는분야에서는적절한휘스커성장억제가반드시요구되고있다 본연구에서는주석휘스커의정의및주요고장사례를소개하고현재까지알려진휘스커성장기구및평가방법을분석하였다 또한 국방및우주용전자부품의무연화적용시적절한휘스커성장억제기술개발현황및주요억제기술에대하여고찰하였다 2. 휘스커정의및고장모드 2.1 휘스커정의 휘스커는금속표면에서원기둥모양의단결정이자발적으로성장한수염형상의금속이며주로 두께의금속박막표면에서관찰된다 일반적으로휘스커의직경은 이고 길이는 정도

2 오철민 정재성 구기영 윤영호 황운희 홍원식 이며 와같이여러가지형태로성장한다 2.2 휘스커주요고장모드 Z2 Force (F) 차세계대전에서휘스커에의한고장이처음으로보고되었다 공기축전기 내부전극 에서카드뮴 휘스커가발생되어고장을유발되었으며그이후에는아연 주석에서도휘스커가관찰되어이를방지하기위해납을첨가하였다 휘스커에의한고장모드은크게세가지로분류할수있다 첫째는휘스커가성장하여부품리드에접촉함으로써부품리드간단락을유발한다 둘째는불순물로존재하여광학적특성및 특성을저하시킨다 그리고마지막으로휘스커에흐르는전류가매우클경우휘스커가금속가스상 으로변하며아크 를발생시킨다 은휘스커로인한고장사례들을나타내고있다 3. 휘스커성장및평가 3.1 휘스커성장기구 현재까지알려진휘스커성장기구는주석도금층압축잔류응력에의해발생되는것이다 이러한응력은금속간화합물 의형성 인장 압축과같은직접적인기계적응력 열팽창계수차이에의한열기계적 응력 표면산화등에의해발생할수있다 는금속간화합물에의한휘스커성장기구를나 Z1 Cu 6 Sn 5 Growth in the grain boundary 타낸것으로 구리 와주석의금속간화합물 은적절한온도에서는주석상의결정입계를따라성장 한다 금속간화합물성장으로주석결정은압축응력을 가진다 압축응력이형성된주석결정중에서압축응력 방향과일정각도를형성한결정입계를가진결정으로 주석원자들은확산하게된다 이주석원자들의확산 을통해주석휘스커는성장한다 그러나 높은온도에 서는또다른금속간화합물 성장 모재확산을

주석휘스커성장메카니즘및억제방안 및성장길이를예측할수있으며 휘스커를억제할수 있는기술을도출할것으로사료된다 Whisker Cu substrate Sn layer 통한 성장등으로내부응력이상대적으로적 게형성되며휘스커성장이감소되는경향을보이기도 한다 는부식에의한휘스커성장기구를나타낸것 으로고온고습환경에서도휘스커가성장된다고알려져 있다 고온고습으로주석도금층은부식되며주석도

등이보고되고있 다 그러나 고온고습환경과온도사이클환경에서발 생한휘스커성장속도차이 진공환경에서의휘스 커성장기구 산화물층두께에따른휘스커성장기구 등의첨가물에따른휘스커성장기구 등은 아직까지명확하게규명을하지못하고있는실정이다 현재까지휘스커성장기구는많은연구자들에의해밝 혀졌지만 현재까지도연구가진행되고있는실정이다 이러한연구결과는궁극적으로휘스커발생 3.

3 주석휘스커성장메카니즘및억제방안 및성장길이를예측할수있으며 휘스커를억제할수 있는기술을도출할것으로사료된다 Whisker Cu substrate Sn layer 통한 성장등으로내부응력이상대적으로적 게형성되며휘스커성장이감소되는경향을보이기도 한다 는부식에의한휘스커성장기구를나타낸것 으로고온고습환경에서도휘스커가성장된다고알려져 있다 고온고습으로주석도금층은부식되며주석도 금층에발생한산화물 은 까지부피가 팽창한다 이부피팽창이주석도금층에압축응력을유 발함으로써휘스커가성장된다고보고되고있다 고온고습환경에서생성되는휘스커성장은도금두께 리플로우횟수 부식정도에따라다르기때문에휘스커가속은예측하기어렵다 그러나 등은 고온고습조건에서휘스커성장을가속하기위한최적 환경조건은 으로제시하기도하 였다 이밖에도도금조건에따른휘스커성장 굽힘 에의한휘스커성장 등이보고되고있 다 그러나 고온고습환경과온도사이클환경에서발 생한휘스커성장속도차이 진공환경에서의휘스 커성장기구 산화물층두께에따른휘스커성장기구 등의첨가물에따른휘스커성장기구 등은 아직까지명확하게규명을하지못하고있는실정이다 현재까지휘스커성장기구는많은연구자들에의해밝 혀졌지만 현재까지도연구가진행되고있는실정이다 이러한연구결과는궁극적으로휘스커발생 3.2 휘스커평가방법 과같이휘스커를평가하는시험방법은 에따라정리하였다 특히 에서는자동차 네트워크장비는 산업용장비 는 으로분류하여일반소비재인 보 다더많은시험시간을요구하고있다 세기준은공통적으로상온유지시험 고온고습시험 온도사이클시험을포함하고있으며총시험시간도비슷 하다 상온유지시험은도금및확산에의한내부응력과 관련된휘스커를평가하기위해진행한다 고온고습시 험은상온환경을가속하기위해제안되었으나최근에 는휘스커의다른성장기구인산화물층과관련된휘스 커를평가하기위해진행한다 온도사이클시험은주석 도금층과모재와의열팽창계수에의한응력과관련된 휘스커를평가하기위해진행한다 휘스커평가에대한목적은필드환경에서일어날수 있는휘스커성장을가속시켜전자제품에서발생되는 휘스커위험관리를하는데있다 그러나상온유지시험 은필드환경과유사하나시간가속성이없으며 고온 고습시험은산화와관련된휘스커성장에는관련이있 으나산화층두께와휘스커성장과의상관관계및휘스 커성장에대한고온고습시험시간과필드시간과의 상관관계도규명되지않았다 온도사이클시험인경우에 도최고 최저온도의유지시간및사이클에따른휘스 커성장과의상관관계도규명되지않은실정이다 따라 서현재까지제안된휘스커시험방법은휘스커에대한 필드가속성에한계가있는것으로판단된다 은 에서제시한휘스커길이에대한 측정방법으로휘스커길이는휘스커가발생한곳에서부 터최대길이를측정한다 그러나 휘스커는 차원공 간으로성장하여광학현미경및주사전자현미경으로 최대길이를측정하는데한계를가지고있다 에서는각부품종류에따라 과 같이휘스커관찰영역을제안하였다 리드가있는부품 은리드별 개영역을 리드가없는부품은부품별 개 영역을분석한다 시험항목별로리드가있는부품은 개리드 리드가없는부품은 개도금영역에대해 휘스커를분석한다 또한 전처리 조건

오철민 정재성 구기영 윤영호 황운희 홍원식 Whisker Surface Whisker length 에따라시료수는늘어나서휘스커를평가하는시료는 리드가있는부품인경우에는 리드를분석한다 이경우 한종류의시험항목에대해 영역을분 Whisker length [microns] 35 30 25 20 15 10 5 Unit 1 Unit 2 Unit 3 Unit 4 Unit 5

4 오철민 정재성 구기영 윤영호 황운희 홍원식 Whisker Surface Whisker length 에따라시료수는늘어나서휘스커를평가하는시료는 리드가있는부품인경우에는 리드를분석한다 이경우 한종류의시험항목에대해 영역을분 Whisker length [microns] Unit 1 Unit 2 Unit 3 Unit 4 Unit 5 3% of leads 60% of units 8% of leads 100% of units 9 longest whiskers 18 longest whiskers 1% of leads 20% of units Non-zero whisker measurements 석하게되어있어휘스커평가방법에대한현실적인시 료수및리드별분석영역을개발할필요가있다 등은 과같이휘스커가 나타난리드에대해휘스커길이분포를분석한결과 에서제시한 수는적절한수준으 로제안하였으며실제적인최대휘스커길이를분석하 기위해서는많은리드의관찰이필요한것으로보고하 였다 따라서휘스커평가방법개발시 분석하고자하 는리드수의감소보다는리드내분석영역을최소화하

주석휘스커성장메카니즘및억제방안 는것이적절한것으로판단된다 마지막으로 휘스커분석시 에서는최대휘스커길이에대해서만기록 하게되어있으나 전자부품의휘스커경향성을알기위해서는휘스커밀도가고려되어져한다 4. 휘스커억제방안 Heat treatment(150, 1 hour) 4.

5 주석휘스커성장메카니즘및억제방안 는것이적절한것으로판단된다 마지막으로 휘스커분석시 에서는최대휘스커길이에대해서만기록 하게되어있으나 전자부품의휘스커경향성을알기위해서는휘스커밀도가고려되어져한다 4. 휘스커억제방안 Heat treatment(150, 1 hour) 4.1 부품도금및공정 휘스커를억제하기위해서많은연구들은휘스커성장기구를억제하는방향으로억제기술을보고하였다 일반적으로는주석도금변경 열처리 결정립미세화등으로주로구리와주석의 성장억제를통해주석도금층내부응력을감소시켜휘스커성장을억제한다 주석도금변경은주석도금처리대신에니켈팔라듐 니켈팔라듐골드 도금처리를하거나 와같이주석합금층을도금하는방법들이이용된다 또한모재와주석도금층사이에하지도금층 을도금하는방법도많이적용되고있다 도금처리는도금층내주석이포함되지않아휘스커에안정하며 하지도금층 은니켈 인경우최소 이상인경우에니켈과주석간금속간화합물 성장및니켈도금층의구리원자와주석원자간확산방지가휘스커성장을억제한다고보고되었다 는열처리에의한휘스커억제효과를나타낸것으로고온환경에의한 성장 평판구조의금속간화합물성장 시효에의한도금층내부응력감소등으로휘스커성장을억제시킨다 일반적으로열처리조건은주석도금한후 에서 시간으로알려져있다 주석층합금화를통해도금층결정립을미세화하여휘스커억제를유발하기도한다 합금인경우 함량은 합금인경우 함량은 가적절한것으로보고 되고있다 는휘스커억제기술과관련하여 와같이제시하였다 도금조건변경및열처리적용을통해휘스커억제는가능하나휘스커평가는필요한것으로보고 된것으로보아각억제기술에따른휘스커억제효과는아직까지적절하지못한것으로판단된다 에서제안된휘스커억제기술은구리와주석의 성장억제에의한휘스커성장억제로써 주석산화층형성에의한휘스커성장은제어하지못하 는것으로사료된다 과같이 고온고습환경에 서는열처리한부품에서휘스커가더길게성장한것으 로보고 되고있으며일부연구에서는주석산화층형 성에의한휘스커성장은니켈층의하지도금처리및 합금처리와관계없이일어난다고보고하고있 다 또한 에서제시하는휘스커성장억제기 술은부품실장후무연솔더에서성장하는휘스커성장 은억제하지못하는것으로사료된다 4.2 컨포멀코팅 (conformal coating) 휘스커를억제하기위해 에서는컨포멀코팅 을 제안하고있다 은컨포멀코팅

오철민 정재성 구기영 윤영호 황운희 홍원식 Whisker length [ μm ] 400 350 300 250 200 150 100 50 2000 h 3000 h 4000 h 5000 h 6000 h 7000 h 8000 h 9000 h 0 Sn 3-5mic

은전자부품이실 장된회로기판위에얇은고분자재질을도포한것으로 자동차 의료 항공 우주분야등주로높은신뢰성이 요구되는분야에사용된다 컨포멀코팅 은일반적으로 두께로디핑 브러쉬 스프레이 디서펜싱등의공정을이용하여도 포된다 주로아크릴 실리콘 우레 탄 파릴렌 계열이사용되며각

6 오철민 정재성 구기영 윤영호 황운희 홍원식 Whisker length [ μm ] h 3000 h 4000 h 5000 h 6000 h 7000 h 8000 h 9000 h 0 Sn 3-5mic Sn Sn on C C reflow 150C 1hr Sn Sn Metallurgy 에의해휘스커성장이억제되는것을보여준 다 또한휘스커가컨포멀코팅 을 뚫고성장하여도부품리드가컨포멀코팅 에의해절연되어전기적단락이발생할수있 는가능성이현저히낮아진다 컨포멀코팅 은전자부품이실 장된회로기판위에얇은고분자재질을도포한것으로 자동차 의료 항공 우주분야등주로높은신뢰성이 요구되는분야에사용된다 컨포멀코팅 은일반적으로 두께로디핑 브러쉬 스프레이 디서펜싱등의공정을이용하여도 포된다 주로아크릴 실리콘 우레 탄 파릴렌 계열이사용되며각 코팅재질에따른장 단점은 에나타내었다 등에서는현재각코팅종류에 휘스커억제경향성을연구하고있다 등에따 르면실리콘 우레탄이휘스커억제에효과적인것으로 보고되고있으며 에서는 과같이 2 Mils Arathane = Very Effective 0.5 Mils Arathane = Less Effective 0.1 Mils Arathane = Not Effective 이상두께를가진우레탄코팅에서는 년동안휘스 커가관찰되지않는다고보고하고있다 따라서 높은신뢰성이요구되는국방및우주분야 에서주석휘스커를억제하기위해서는컨포멀코팅 이가장효과적인것으로사료되 며 국내에서도컨포멀코팅 에대 한휘스커억제기술개발연구가서둘러진행되어야 할것으로사료된다 5. 결론 Coated side Non-coated side 주석휘스커는주석층의내부응력으로인해발생하며 내부응력은열팽창계수차이 금속간화합물의 입계성장 표면층의산화 기계적인굽힘등에기인한

7 주석휘스커성장메카니즘및억제방안 다 이러한휘스커성장기구차이에따라휘스커평가 방법이달라졌으며아직까지필드시간과의가속상관 관계는규명되지않고있다 또한 휘스커관찰방법및 시료수등에보다합리적인연구가필요한것으로판 단된다 휘스커를억제하기위해 등에서많 은억제방안들을제시하고있으나휘스커를경감시킬 뿐 오랜기간동안휘스커억제에는한계를가지고있 는것으로판단된다 따라서 높은신뢰성이요구되는 국방및우주분야에서는휘스커를억제하기위해컨포 멀코팅 이적용되고있으며컨포 멀코팅 재료에따른휘스커성 장모델개발및필드자료를분석하고있다 따라서 국내에서도국방및우주분야의무연화를추진하기위 해서는휘스커억제기술개발이진행되어야할것이다 특히 컨포멀코팅 재료에따른 휘스커성장억제기술개발을서둘러야할것으로사료 된다 참고문헌

8 오철민 정재성 구기영 윤영호 황운희 홍원식 오철민 년생 전자부품연구원 정재성 년생 전자부품연구원 구기영 년생 국방기술품질원 윤영호 년생 국방기술품질원 황운희 년생 국방기술품질원 홍원식 년생 전자부품연구원

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DBPIA-NURIMEDIA 기술보고 국방분야전자기기의무연솔더적용을위한신뢰성검증방안 Relaibility Validation Methodology for Implementation Pb-free Solder to Military Electronics Jaesseong Jeong, Chulmin Oh, Gi-Young Goo, Young-Ho Yoon, Un Hee Hwang and Won