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 ) 케이제이테크수출보험공사한양대학교학연산클러스터사업단한양대학교 ( 주 ) 광명전기한림대학교건국대학교삼성전자 ( 주 ) 한국부품소재사업진흥원항공우주연구원산업기술시험원 EPRI 기술표준원 당연직당연직전무대표본부장교수교수상무교수교수상무본부장센터장연구위원소장당연직 기술위원회명단 성명 소속 직위 ( 위원장 ) 강정윤 부산대학교재료공학부 교수 ( 위원 ) ( 간사 ) 당연직당연직당연직윤원영이종수전치혁이준희남원종차상원정원욱박종경박창남구명회이중휘반덕영정우현이중주 산업자원부자본재산업총괄과산업자원부기초소재산업과기술표준원기술정보신뢰성과부산대학교포항공과대학교포항공과대학교동아대학교국민대학교수원대학교현대자동차 ( 주 ) ( 주 ) 포스코 FAG베어링코리아 ( 유 ) 창원특수강 ( 주 ) 산업기술시험원고려제강 ( 주 ) 고려용접봉 ( 주 ) 포항산업과학연구원 과장과장과장교수교수교수교수교수교수수석그룹장소장소장연구위원소장소장센터장 제정자 : 산업자원부기술표준원장개정 : 2005년 11월 16일원안작성협력자 : 포항산업과학연구원심의위원회 : 신뢰성전문위원회 제정 : 2005년 1월 5일산업자원부공고제2004-283호
신뢰성평가기준 RS 중고온용무연솔더바 D 0039 : 2005 Lead-free soft solder bar for medium or high temperature 서문이기준을적용할때는인용하고있는기준도동시에참고하여야한다. 또같은종류의기준이라면이것과의검토가필요한경우도많다. 이러한기준들의시험특성을이해함으로써무연솔더바의신뢰성을높이기위해 2005년에 RS D 0039가제정되었다. 1. 적용범위이기준은각종전기, 전자혹은이와유사한용도로사용되는제품등의배선의기계적, 전기적접속및그의부품제조 제작에사용되는중고온용무연솔더바에대해규정한다. 2. 인용규격다음에나타내는규격은이규격에인용됨으로써이규격의규정일부를구성한다. 이러한인용규격은그최신판을적용한다. KS D 1980 땜납의분석방법 KS D 6704 땜납 RS D 0015 무연솔더볼 IEC 60068-2-14 Basic environmental testing procedures, Part2, tests N: Change of temperature IPC-A-610C Soldering Acceptability Requirements JIS Z 3198-7 Test methods for lead-free solders-parts 7: Methods for shear strength of solder joints on chip components MIL-STD-202F, Method 108A Life 3. 정의이규격에서사용되는주된용어의정의는다음에따른다. a) 젖음성 (wettability) 고체의표면에액체가부착되었을때, 고체와액체원자간의상호작용에의해액체가퍼지는성질 b) 솔더링 (soldering) 플럭스를사용하여융점이 450 o C미만의용융된솔더를피접합재 ( 모재 ) 의틈새에침투, 퍼지게하여접합하는방법 c) 퍼짐성 (spreadability) 젖음성평가방법의하나로용융된솔더가모재의표면에퍼지는정도를나타낸다. d) 삽입실장 (insert mounting) 기판의인쇄회로상에뚫어놓은구멍에반도체패키지에서나온리드선을삽입해솔더링으로고정하는방법 e) 플로우솔더링 (Flow soldering) 유동되거나정지되어있는용융조의솔더에프린트배선판을접촉시켜솔더링하는방법 f) 패키지 (Package) 능동혹은수동소자를실장하기위한전기적입출력배선및소자보호재료로구성된실장용부품하드웨어형태의총칭 g) 불순물 (impurity) 의도적으로합금화하지않은원소 h) 무연솔더바 (lead-free solder bar) 인위적으로 Pb를첨가하지않은상태로 0.1wt% 이하의 Pb만을함유한조성으로서봉상의주형에주조하거나압출성형한것
i) 드로스 (dross) 용융된솔더의표면에생성되는산화물혹은이와유사한비금속혼합물입자 j) 중고온용 (medium or higr temperature) 솔더의용융온도가 200 o C 이상인것 비고 ( ) 안의영어는참고로표시한것이다. 4. 종류솔더바를분류하면유연솔더바와무연솔더바로분류된다. 본규격에서는 Sn-Cu계혹은 Sn-Ag-Cu계및이와유사한무연솔더바에대해적용한다. 4.1 조성및용융온도대표적인중고온계무연솔더바조성및용융온도는표1과같으며언급되지않은성분의용융온도는상호간의협의에따른다. 불순물의허용한도는 KS D 6704 의 A등급을따르되언급되지아니한성분의불순물은상호간의협의에따른다. 표 1 중고온계무연솔더바종류의예 번호 화학성분 용융온도 ( o C ) 고상선 액상선 비고 1 Sn-0.7Cu(-X) 227 X : Ni, P, Bi, In, Ag 2 Sn-(3~4)Ag-(0.5~0.7)Cu 217 220~221 3 Sn-3.5Ag 221 5. 품질평가 특별히언급하지않는한성분은 Sn-Cu계, Sn-Ag-Cu계혹은이와유사한조성으 로평가하고, 시험횟수는 10회이상실시하며평균치를취한다. 5.1 합금성분- 성분분석은 KS D1980( 땜납의분석방법 ) 에따르고, 언급되지않은성분은당사자 간의협의에따른다. 5.2 융점- 솔더바에대한고상온도의측정은시차주사열량측정법 (DSC) 이나시차열분석법 (DTA) 을사용하고액상온도의측정은가열냉각곡선법으로측정하며시차주사열량측정법의경우승온조 건을 10 o C/ 분이하의조건으로할것을권장한다. 5.3 외관 사용상해로운결함이없어야한다. 5.4 퍼짐성시험 5.4.1 평가기준 RS D0015규격의퍼짐성시험및기준에준하며퍼짐성지수는 50이상이어야한 다. 5.4.2 시료및시험장비 시료및시험장비는다음에따른다. a) 전자저울 b) 용융조 (Pot) c) 가열장치 d) 마이크로미터 e) 탈산동판 5.4.3 시험방법 RS D 0015규격의퍼짐성시험및기준에준한다. 단, 플럭스는 R-type을사용 하며, 솔더의양은 0.3g으로한다. 5.5 인장시험솔더의기계적특성중인장특성을평가하기위한방법이다. 2
5.5.1 평가기준 합격여부는당사자간상호협의에따르되기본물성은 40 MPa이상으로한다. 5.5.2 시료및시험장비시료및시험장비는다음에따른다. a) 인장시험기 b) 주조시편 ( 그림 1) 주조시험편은몰드의온도를 (170±10) C 로가열후주입하여제작한다. 5.5.3 시험방법 KS D 6704규격의인장강도시험규격을따르되, 시험편의형상은아래그림 1 과같이그립직경 φ20, 시험부직경 φ10, 표점간의길이 50, 평형부길이 60, 곡률반경 15이상의 봉재시험편을사용할것을권장한다. Ф10 15 단위 : m m Ф20 50 60 180 그림 1 인장시험편형상 5.6 젖음성시험 솔더의모재로의젖음정도를평가하기위한시험이다. 5.6.1 평가기준 웨팅밸런스 (Wetting balance) 시험을이용구리판을용융솔더에침지한후평 가하며합격기준은영점시간 (Zero cross time, t 0 ) 은 3초이내, 젖음력은 2mN이상으로한다. 5.6.2 시료및시험장비 시료및시험장비는다음에따른다. a) 젖음성 측정기 b) 시편 c) 액상 플럭스 d) 세척제 e) 사포 5.6.3 시험방법 IEC 600068-2-54규격에의거시험하되, 용융조의온도는액상온도 +(30±5) C, 플럭스는 R형 (type) 으로한다. 6. 접합부시료제조및샘플링방법솔더링의모든평가는평판접합부에대해평가하는것을원칙으로한다. 6.1 원소재샘플링 6.1.1 솔더바의샘플링기본성능및내구성능평가시험에필요한솔더바는솔더바제조공정을대표할수있는필요한최소의양으로하며, 특별히규정하지않는한 Sn-Cu계, Sn-Ag-Cu계혹은이와유사한조성으로한다. 6.1.2 접합에사용되는시편의표준접합될대표적인패키지의종류및 PCB기판 ( 크기 : 70 100mm) 등은특별히규정하지않는한그림 2를따른다. 3
표 2 시편의표준 리드 (lead) PCB 기판 구분 패키지 (package) QFP Frame material Cu, Kovar alloy 42 Plating material Ni-Pd, Sn-2.0Cu, Sn-0.3Bi Plating thickness 5~16μm 재질 PCB(Print Circuit Board) FR-4 두께 1.6mm 표면처리 Ni: 2.54~7μm Au : 0.7μm이하 도금부 PCB 기판 구분패키지 (package) Plating material Plating thickness 재질두께표면처리 칩 (Chip) 100Sn 3~4μm PCB(Print Circuit Board) FR-4 1.6mm Ni: 2.54~7μm Au : 0.7μm이하 PCB 기판 구분 패키지 (package) 컨넥터 (Connector) Frame material Cu, Kovar alloy 42 Plating material Ni-Sn, Sn Plating thickness Ni-Sn의경우 Ni : 1.3μm이상 - Sn : 규정없음. Sn : 7.5μm이상 재질 PCB(Print Circuit Board) FR-4 두께 1.6mm 표면처리 Ni: 2.54~7μm Au : 0.7μm이하 4
(a) QFP 5
(b) Chip 6
(c) 컨넥터 그림 2 접합부시험편형상 7
6.2 접합부제조접합부제조조건등은사용자에따라달라질수있으므로특별히규정하지않으나플로우프로파일 (flow profile) 은 Sn-0.7Cu 조성의경우예열구간은 (100±5) o C, 피크온도는 (255±5) o C, 침지시간은 (4±1) 초, 속도는 1.0~1.4m/min, 플럭스는 RMA형 (type) 을권장한다. 단 QFP 및칩부품의경우플로우솔더링전에본딩재를이용사전접착을시키며접착위치및접착재, 접착방법등에대한특별한규정은두지않는다. 6.3 접합부시료샘플링및형상샘플링시료는대표성을갖는로트 (lot) 에서채취한솔더를이용한접합부에평가하고평가시험은최소 10개이상의기판시료를사용하고시험편은실제제작및사용조건을고려하여사용한다. 7. 기준및시험방법시험에사용되는시료는 6.1.2에언급된것을사용한다. 7.1 솔더표면관찰시험 7.1.1 평가기준합격여부는당사자간결정한다. 7.1.2 시험장비 a) 현미경 7.1.3 시험방법접합부의솔더표면을현미경으로관찰하고, 핀홀, 균열등의결함유무를확인한다. 7.2 솔더내부관찰시험 7.2.1 평가기준판단기준은 IPC-A-610C에따른다.( 외관, 필렛높이 ) 7.2.2 시험장비 a) 절단기혹은 X-ray 장비 7.2.3 시험방법젖음각도, 젖음면적및내부충전정도를파악한다. 7.3 열충격시험전자부품의접합부가반복되는온도변화를받을때, 접합부를구성하는재료의파괴를측정하는시험이다. 7.3.1 평가기준시험후초기접합강도대비 50% 이상이어야한다. 7.3.2 시험장비 a) 열충격시험기 7.3.3 방법 -55 에서 10분유지, 5분이내승온, 150 에서 10분유지, 5분이내냉각, 1 싸이클. 총 1357회반복하며구체적인시험은 MIL-STD-202C-107를따른다.( 그림3) T B t 2 t 1 t 1 t 2 T A 여기서 T A : 저온시험의온도, -55 1 싸이클 그림 3 열충격시험방법 8
T B : 고온시험의온도, 150 t 1 t 2 : 10분 : 5분 7.4 고온방치시험 (High Temperature Storage Test) 7.4.1 기준 시험후초기접합강도대비 50% 이상이어야한다. 7.4.2 시험장비 a) 항온시험기 7.4.3 방법 100 o C에서 500시간 방치한후 강도변화를 측정한다. 구체적인 방법은 MIL-STD-202F, Method 108A를 따른다. 7.5 접합강도시험 접합강도시험은기판과부품간의솔더링부의접합강도를측정하기위한실험 이다. 7.5.1 평가기준 QFP의경우 5 N 이상, 칩의경우 50 N 이상, 컨넥터의경우 20 N 이상이어야 한다 7.5.2 시험장비 시험장비는다음을따른다. a) 압축강도시험기 컨넥트의압축강도를시험하기위한것이다. b) 당김강도시험기 QFP의강도를시험하기위한것이다. c) 전단강도시험기 칩의강도를시험하기위한것이다. 7.5.3 시험방법 7.5.3.1 QFP RS D 0026 7.1항에준하여실험한다. 7.5.3.2 칩 (Chip) JIS Z 3198-7에준하여실험한다. 7.5.3.3 컨넥터 (Connector) 기판을고정한상태에서 강도기를사용하여컨넥트의솔더링부가파 괴되어분리될때까지압축력을가하여기판과부품간의 압축강도를측정한다. 8. 참고 8.1 사용수명상기각항목의평가시험기준을만족하는중고온용무연솔더바는사용환경에따라서사용수명의차이가있을수있지만신뢰수준 90% 에서 B 10 수명 5년을보장할수있다. 8.2 시험보고서시험보고서에는다음사항이포함되어야한다. a) 시료, 실험실, 시험날짜를식별하는데필요한모든정보 b) 이규격에참고로사용한시험방법 c) 시험결과와그것을나타내는서식 d) 시험조작에서나타난어떤특이사항 e) 이규격에서규정하지않은어떤조작이나시험결과에영향을줄수있는선택사항 9
신뢰성평가기준 중고온용무연솔더바 2005 년 1 월 5 일발행 편집겸 발행인 기술표준원장 발행산업자원부기술표준원 427-010 경기도과천시중앙동 2 (02) 509-7232~4 Fax (02) 509-7415 http://www.ats.go.kr 인쇄 제본 산업자원부기술표준원 이기준에대한의견또는질문은포항산업과학연구원신뢰성평가센터 ( 054-279-6583) 로연락하여주십시오. 또한신뢰성평가기준은부품 소재전문기업등의육성에관한특별조치법제25조의규정에따라신뢰성전문위원회에서심의되어확인, 개정또는폐지됩니다
RS D 0039 : 2005 Lead free soft solder bar for medium or high temperature Ministry of Commerce, Industry and Energy Agency for Technology and Standards