21 연구논문 무연솔더가적용된자동차전장부품접합부의열적 기계적신뢰성평가 하상수 * 김종웅 * 채종혁 ** 문원철 *** 홍태환 **** 유충식 ***** 문정훈 ****** 정승부 * * 성균관대학교신소재공학과 ** 현대 기아연구개발본부전자신뢰성연구팀 *** 성균관대학교마이크로전자패키징사업단 **** 충주대학교신소재공학과 ***** 삼성전기 WS 모듈사업팀제조기술 Group ****** 수원과학대학일렉트로닉스패키징과 Thermo-Mechanical Reliability of Lead-Free Surface Mount Assemblies for Auto-Mobile Application Sang-Su Ha*, Jong-Woong Kim*, Jong-Hyuck Chae**, Won-Chul Moon***, Tae-Hwan Hong****, Choong-Sik Yoo*****, Jeong-Hoon Moon****** and Seung-Boo Jung* *School of Advanced Materials Science and Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon 440-746, Korea **Research & Development Division for Hyundai Motor Company & Kia Motors Corporation ***Sungkyunkwan University, Micro Electro Packaging Consortium, Suwon 440-746, Korea ****School of Advanced Materials Science and Engineering, Chungju National University, Chungju 380-702, Korea *****Manufacturing Technology Group, WS Module Business Team, Samsung Electro-Mechanics, Suwon 443-743, Korea ******Department of Electronics Packaging, Suwon Science College, Hwasung 445-742. Korea Abstract This study was focused on the evaluation of the thermo-mechanical board-level reliability of Pb-bearing and Pb-free surface mount assemblies. The composition of Pb-bearing solder was a typical and that of Pb-free solder used in this study was a representative Sn-3.0Ag-0.5Cu in mass %. Thermal shock test was chosen for the reliability evaluation of the solder joints. Typical Cu 6Sn 5 intermetallic compound (IMC) layer was formed between both solders and Cu lead frame at the as-reflowed state, while a layer of was additionally formed between the and Cu lead frame during the thermal shock testing. Thickness of the IMC layers increased with increasing thermal shock cycles, and this is very similar result with that of isothermal aging study of solder joints. Shear test of the multi layer ceramic capacitor (MLCC) joints was also performed to investigate the degradation of mechanical bonding strength of solder joints during the thermal shock testing. Failure mode of the joints after shear testing revealed that the degradation was mainly due to the excessive growth of the IMC layers during the thermal shock testing. *Corresponding author : sbjung@skku.ac.kr (Received August 18, 2006) Key Words : Lead free, Thermal shock, Intermetallic compound, Shear strength 大韓熔接學會誌第 24 卷第 6 號, 2006 年 12 月 457
22 하상수 김종웅 채종혁 문원철 홍태환 유충식 문정훈 정승부 1. 서론 최근전자패키지분야에서몇년간가장크게이슈화되고있는것으로 Sn-Pb 계솔더를대체할무연솔더 (lead-free solder) 의개발을들수있다. 현재까지전자부품실장에사용되고있는주석-납 (Sn-Pb) 계솔더는취급이용이하고낮은가격및솔더재료로써의우수한특성 ( 기계적및전기적인특성, 접합성 ) 때문에전기 전자업계에서가장널리이용되어왔다. 그러나 Pb의인체에대한유해성과환경보존적인관점에서 Pb의사용을제한하는분위기가범세계적으로일어나고있다. 이에대응하여무연솔더에관한연구가활발히이루어지고있고, 현재까지의연구를통해 Sn-Cu 계및 Sn-Ag-Cu 계솔더가가장널리추천되고있다 1-3). 또한최근전기 전자제품에사용되는소자들이다기능화, 고집적화및경박단소화됨에따라지금까지크게문제되지않았던기계적인신뢰성문제들이많이노출되게되었다. 전자패키지의경우에는패키지열변형에의한접합부의층간분리 (package delamination), 솔더조인트의피로파손 (fatigue failure) 등이대표적으로거론되고있다. 패키지의기계적인파손은전자소자의전기적기능수행에직접적인영향을주기때문에, 전자소자자체의신뢰성뿐만아니라다양한패키지방법에따른기계적신뢰성확보가요구된다. 4-7) 특히자동차전장부품의경우다른전기 전자제품에비해휠씬가혹한환경에노출되어있기때문에신뢰성시험또한다른제품들보다가혹한조건이요구된다. 대표적인환경시험법, 예를들어온도싸이클시험 (temperature cycling test), 열충격시험 (thermal shock test) 및진동시험 (vibration test) 등은이미대다수국제규격에그스펙이명시되어있고, 대부분의부품업체및완성품업체에서자체시험법및규격을가지고자사제품의신뢰성확보를위해상당한노력을기울이고있다. 따라서본실험에서는가속환경시험법의한가지인열싸이클시험을통해무연솔더가적용된자동차전장부품의몇가지부품을선정하여신뢰성시험을수행한후, 유연솔더베이스의시험결과와비교, 분석하여최종적으로무연솔더가적용된자동차부품의신뢰성평가를검토하고자하였다. 2. 실험방법 2.1 기판제작 본실험에서는무연솔더가적용된표면실장부품이 접합된기판의신뢰성평가를하였고, 솔더는기존의 와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 무연솔더를비교하여무연솔더의신뢰성문제를분석하고자하였다. 샘플링시편은불량요인이가장많은것으로판단되는 IC package 시편들로하였다. 리플로우는 는 220 에서 60초, Sn3.0Ag-0.5Cu 는 255 에서 60 초동안리플로우를실시하였다. Package 는대표적인표면실장용인 SOP (Small Outline Package) 로하였고, Sn이도금된솔더가젖어있는리드의단면을관찰하고자하였다. 이때기판내에서도위치에따른차이가있을수도있으므로비슷한형태의시편일지라도두개이상추출하여분석하였다. 그림 1은본실험에서사용한부품들의사진을나타낸것이다. 2.2 열충격시험 열충격에따른솔더접합부의특성을평가하기위해리플로우 (reflow) 가완료된시편을가지고 Fig. 2과같이 -40~125 의온도조건에서열충격시험을수행하였다. 저온 (-40 ) 과고온 (125 ) 에서의유지시간은각각 29min으로하였으며, 램핑 (ramping) 시간은 1min 으로하였다. 이러한열싸이클조건에서 700, 1000, 1250, 1500, 1750, 2000 싸이클의열충격시험후, 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy) 125-40 Fig. 1 Image of components 1분 29분 1분 29분 1Cycle, 60 분 Fig. 2 Experiment condition of thermal shock 448 Journal of KWS, Vol. 24, No. 6, December, 2006
무연솔더가적용된자동차전장부품접합부의열적 기계적신뢰성평가 23 으로접합부의균열 (crack) 유무와계면에생성된금속간화합물의두께를조사하였다. 2.3 미세조직관찰및두께측정 Fig. 3는본실험에서사용한샘플의단면모식도를나타낸것이다. 그림을보면알수있듯이실험에서사용한샘플에서는두군데의접합부에서반응층이생성되는데, 본연구에서는리드와기판의 Cu 패드에적용된표면처리가동일함을감안하여솔더와기판의 Cu 패드계면을분석하였다. 리드와 Cu 패드에는 Sn이도금되어있었다. 각열충격단계에서의시편은먼저외형 ( 솔더필렛 ) 의균열여부를조사하기위하여접사현미경으로관찰하였고, 미세조직및금속간화합물의두께측정을위해열충격시험이완료된후, 시편을클립에끼워세우고에폭시로마운팅 (mounting) 하였다. 다음에는계면관찰을위하여알루미나파우더 (alumina powder) 1 μm와 0.3 μm를사용하여폴리싱 (polishing) 을하였다. 열충격시험동안에발생한 crack 의발생및전파와접합부계면의금속간화합물의성장거동을조사하기위하여모든시편의단면을주사전자현미경 (SEM, Scanning Electron Microscopy) 으로관찰하였다. 각각의시편에서 Cu 패드와솔더의계면을따라형성된금속간화합물층을따라서로다른몇몇부분에서미세조직사진을얻어평균두께를얻었다. 또한금속간화합물의성분분석에있어서 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 및 EPMA (Electron Micro-Probe Analysis) 분석을수행하였다. 2.4 전단강도측정무연솔더가적용된표면실장부품들의열충격에따른접합부의기계적인특성변화를알아보기위하여각각의조건에서열충격이실시된기판의전단시험을수행하였다. 한정된시편의수량때문에미세조직이관찰된동일한시편의평가는하지못하고, 같은기판의수동소자들의접합강도를평가함으로써간접적인비교가이루어지도록하였다. 전단시험대상시편은 MLCC (Multi Layer Ceramic Capacitor) 로하였으며전단속도는 100 μm /s, 전단높이는 20μm고정하고각각의전단시험조건에서 10회의전단시험을실시한다음평균값을구하였다. 3. 실험결과및고찰 3.1 미세조직관찰 Fig. 4~5 는 솔더와 Cu 패드사이의접합부의계면이열충격싸이클이증가함에따라어떻게변하는지를나타내고있다. 각상의보다확실한구분을위하여 BSE (Back Scattered Electron) 모드로미세조직을관찰하였다. Fig. 4을보면알수있듯이 2000 싸이클까지열충격이실시되는동안외형적으로는어떠한크랙의발생또는전파의유무도발견할수없었다. Fig. 5는 솔더와 Cu 패드사이의계면을확대한사진이다. 사진을보면알수있듯이리플로우직후에는 솔더와 Cu 패드사이의계면에는모두금속간화합물 Cu 6Sn 5 가형성되었음을알수있었다. 하지만열충격시험이 1000 싸이클까지증가함에따라 Cu 6Sn 5 층밑에얇은 plate 형태의 Cu 3Sn층이생성된것을확인할수있었다. 그리고열충격싸이클이증가함에따라계면에생성된금속간화합물 Cu 6Sn 5 와 Cu 3Sn 모두두께가증가하는것도확인할수있었다. 솔더의내부조직은밝은부분의 Pb-rich상과어두운부분의 Sn-rich 상으로이루어진전형적인공정조직이형성되었고, 이또한열충격싸이클이증가함에따라 Sn-rich 상과 Pb-rich상이조대화되는것을확인할수있었다. Cu lead Solder (, Sn-3.0Ag-0.5Cu) Substrate Cu UBM Cu Solder Cu Coated layer (Sn) Reaction layer (IMC formation) Fig. 3 Schematic diagram of solder joint showing a specimen Fig. 4 SEM micrographs of solder/cu interface after thermal shock; as-reflow, 1000 cycles, 1500 cycles, 2000 cycles 大韓熔接學會誌第 24 卷第 6 號, 2006 年 12 月 459
24 하상수 김종웅 채종혁 문원철 홍태환 유충식 문정훈 정승부 Pb-rich Cu Fig. 5 High-magnification micrographs of solder/cu interface; as-reflow, 1000 cycles, 1500 cycles, 2000 cycles Fig. 6~7 은열충격싸이클의증가에따른 Sn-3.0Ag- 0.5Cu 솔더와 Cu 패드와의계면을나타내고있다. 그림에서보는바와같이 솔더와마찬가지로초기리플로우시계면에는금속간화합물 Cu 6Sn 5 만형성되는것을확인할수있었고, 1000 싸이클후에는 Cu 6Sn 5 층밑에얇은층의 Cu 3Sn 금속간화합물이형성된것을확인할수있었다. 열충격횟수가증가함에따라계면에생성된금속간화합물 (Cu 6Sn 5, Cu 3Sn) 은모두그두께가증가하는것을확인하였다. 솔더조직은대부분 Sn-rich 상으로이루어진것을확인할수있었으며, Ag 3Sn 금속간화합물이분산되어있는것을확인되었다. 공정솔더의경우 Sn-rich phase 와 Pbrich phase 의층상구조를갖는데반해 Sn-3.0Ag- 0.5Cu 솔더의경우금속간화합물 Ag 3Sn은 Sn phase 와비교하여매우작기때문에순수한 Sn 기지에 rod-like type 의 Ag 3Sn 으로구성되며층상구조를갖지않는다. 솔더내에서도 Cu 6Sn 5 를부분적으로확인할수있었는데, 이러한솔더내의금속간화합물 Cu 6Sn 5 는솔더링시 Cu 기판으로부터나온 Cu로부터형성되거나또는계면에형성된금속간화합물로부터 break off 되어형성된것으로사료된다 8~10). 3.2 금속간화합물두께변화 Fig. 6 SEM micrographs of the Sn-3.0Ag-0.5Cu solder/cu interface after thermal shock test; as-reflow, 1000 cycles, 1500 cycles, 2000 cycles Ag Sn 3 Fig. 7 High-magnification micrographs of Sn-3.0Ag- 0.5Cu solder/cu interface; as-reflow, 1000 cycles, 1500 cycles, 2000 cycles Fig. 8은 및 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와 Cu 패드와의반응에서계면에생성된금속간화합물의열충격횟수에따른두께변화를나타낸것이다. Fig. 8 그래프를보면알수있듯이 as-reflow 시금속간화합물의전체두께는 2.1~2.3 μm정도되는것으로확인되었고, 열충격싸이클이증가함에따라 Sn- 37Pb와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더모두두께가전반적으로증가하는것을확인할수가있었다. 그리고 Sn- 37Pb 솔더와 Cu기판접합부에생성된금속간화합물은초기에는무연솔더에비해낮은정도의두께를보였지만, 열충격이증가함에따라 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와두께성장이비슷한것을확인할수있었다. 초기금속간화합물두께차이는 솔더가 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더에비해반응에참여하는 Sn의양이적을뿐만아니라, 금속간화합물성장속도의차이는저온에서리플로우되기때문인것으로판단된다. Fig. 8 는열충격싸이클이진행되는동안금속간화합물 Cu 3Sn 의두께변화를나타낸것이다. Asreflow 직후에생성된금속간화합물은모두 Cu 6Sn 5 로확인되었으며, 금속간화합물 Cu 3Sn 은관찰되지않음을확인하였다. 하지만 1000 싸이클까지열충격을 460 Journal of KWS, Vol. 24, No. 6, December, 2006
무연솔더가적용된자동차전장부품접합부의열적 기계적신뢰성평가 25 Total IMC thickness( μm ) 2.50 2.45 2.40 2.35 2.30 2.25 2.20 2.15 2.10 2.05 2.00 Sn-3.0Ag-0. 5Cu 양이상대적으로유연솔더보다많고, 유연솔더가무연솔더에비해상대적으로저온에서리플로우되기때문인것으로사료된다. 반면성장속도는유연솔더인경우에더빠른것으로나타났는데, 이는유연솔더의낮은융점에기인한것으로판단된다 11). 3.3 전단강도측정 Fig. 9은 솔더와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더의열충격에시험에따른솔더접합부의기계적인특성변화를알아보기위해서열충격시험후의전단강도변 화를나타낸것이다. 기판의한정된수량때문에미세 Cu3Sn IMC thickness( μm ) 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조직을관찰한동일한시편의평가는하지못하고, 같은기판의수동소자들의접합강도를평가함으로써간접적인비교가이루어지도록하였다. Fig. 9의그래프를보면알수있듯이 MLCC 0603 (0.6mm 0.3mm) 과 MLCC 0805(0.8mm 0.5mm) 모두 솔더보다 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더의전단강도값이 10~15N 정도높게나타난것을확인할수있었다. 일반적으로 Sn-Ag 계솔더의경우에는 0.0 솔더내 Ag 3Sn 과 β-sn 의공정상을형성한다. 솔더내의 Fig. 8 Thickness of IMCs formed at interface bet ween, Sn-3.0Ag-0.5Cu solder and Cu substrate; Total IMC, Cu 3Sn 실시한후, 계면을관찰한결과판상의금속간화합물 Cu 3Sn 이약 1 μm정도생성된것을확인할수있었다. 이러한경향은유연이나무연솔더에상관없이거의유사한경향을보이는것을확인할수있었으며, 금속간화합물 Cu 3Sn도 Cu 6Sn 5 와마찬가지로열충격횟수가증가함에따라미세하게증가하는것을확인할수있었다. 초기에생성된금속간화합물의두께는조금차이가있지만대체적으로 와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더모두열충격싸이클이증가함에따라계면에생성된금속간화합물의두께도증가하는것을확인할수있었다. 이러한결과를통하여계면에생성된금속간화합물의동향을정리해보면, 첫째로 reflow 직후에계면에생성된금속간화합물의조성은솔더의조성, 표면처리방법등에무관하게모두 Cu 6Sn 5 였다. 둘째로 1000 싸이클까지열충격싸이클이진행됨에따라금속간화합물 Cu 3Sn 이추가적으로생성되었고, 이들의두께는열충격싸이클이증가함에따라모든경우에서증가하였다. 셋째로초기에생성된금속간화합물층의두께는무연솔더의경우가유연솔더보다큰것으로나타났다. 이는무연솔더내에반응에참여하는 Sn의 Shear force (N) Shear force (N) 40 35 30 25 20 15 10 70 65 60 55 50 45 40 35 30 Sn-3.0Ag-0.5Cu Sn-3.0Ag-0.5Cu Fig. 9 Variations of the shear force of the, Sn-3.0Ag-0.5Cu solder/cu joint with thermal shock cycles; MLCC 0603, MLCC 0805 大韓熔接學會誌第 24 卷第 6 號, 2006 年 12 月 461
26 하상수 김종웅 채종혁 문원철 홍태환 유충식 문정훈 정승부 Ag 3Sn 입자의분산강화효과로 Sn-Pb 보다높은강도값을나타낸다. 그리고 MLCC 0603 의경우 솔더와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더모두초기에는강도값이증가하다가 1000 싸이클이후부터는강도값이감소하는것을확인할수있었다. MLCC 0805 의경우도비슷한경향을나타내는것을확인할수있었고, Sn-3.0Ag-0.5Cu 의경우에는 MLCC 0603 과는달리 700 싸이클이후부터강도값이급격하게감소하는것을확인할수있었다. 이는열충격싸이클이증가함에따라접합부의계면에 brittle 한성질을가진금속간화합물 (CuSn 계 ) 이성장함으로써전단강도값에영향을준것으로사료된다. Fig. 10~11 은접합부의계면에생성된금속간화합물이전단강도값에어떤영향을주는지를알아보기위하여 MLCC 0805의 솔더와 Sn-3.0Ag- 0.5Cu 솔더의전단시험후의파면을찍은 SEM 사진이다. 사진을보면알수있듯이 솔더와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더모두 reflow 직후 (a, d) 에서는솔더파괴가일어난것을확인할수있었지만, 열충격싸이클이증가함에따라서 Cu와 Sn의상호확산으로금속간화합물 (Cu 6Sn 5) 이성장함으로써 1000 싸이클이후부터는파괴의형태가취성파괴모드로변하는것을확인할수있었다. Fig. 11은 솔더와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더접합부의파면을고배율로관찰한 SEM 사진이다. 열충격시험이실시되지않은상태 (a, d) 를보면 와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더모두솔더내에서파괴가일어난연성파괴가일어나는것을확인할수있었고, 1000 싸이클에서는 의 의경우는대체적으로솔더쪽에서파괴가일어난연성파괴를보 였으나 (e) 의 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더의경우는연성파괴와취성파괴가동시에일어난것을확인할수가있었다. 이는 Fig. 9의전단강도값의변화그래프에서볼수있었듯이 MLCC 0805 의 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더의전단강도값이 1000 싸이클에서급격하게감소하는이유가열충격횟수의증가에따른금속간화합물 (CuSn 계 ) 의성장으로일부취성파괴가일어남으로써 Shear direction Shear direction (e) (f) 500 μm Fig. 10 Typical fracture surface after shear test of (a~c) and Sn-3.0Ag-0.5Cu (d~f); and as-reflow, and 1000 cycles, and (f) 2000 cycles (e) (f) Cu 6 Sn Cu 5 6 Sn 5 50 μm Fig. 11 Enlarged view of fracture surface after shear test of (a~c) and Sn-3.0Ag-0.5Cu (d~f); and as-reflow, and (e) 1000 cycles, and (f) 2000cycles 462 Journal of KWS, Vol. 24, No. 6, December, 2006
무연솔더가적용된자동차전장부품접합부의열적 기계적신뢰성평가 27 전단강도값에영향을준것으로사료된다. 따라서취성파괴현상은상대적으로솔더에비해 brittle 한성질을가진금속간화합물의두께성장에의한것으로판단되며, 금속간화합물의두께가증가할수록접합부의신뢰성에악영향을미친다는것을확인할수있었다. 4. 결론 본연구에서는기존의 솔더와무연솔더가적용된몇가지부품군을선정하여신뢰성시험을수행한후, 유연솔더접합부의시험결과와비교, 분석하여다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 및 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와 Cu 패드사이의반응에서계면에생성된금속간화합물은모두솔더의조성에상관없이 Cu 6Sn 5 로확인되었다. 2) 열충격횟수가 1000cycle 까지증가함에따라 솔더와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더모두 Cu기판과의반응으로생성된계면의금속간화합물은 Cu 6Sn 5 와 Cu 3Sn 의두층으로확인되었고, 열충격싸이클이증가함에따라두금속간화합물모두두께가증가하는것을확인할수있었다. 3) 초기에생성된금속간화합물의두께는 Sn- 3.0Ag-0.5Cu 솔더인경우, 솔더인경우보다큰것으로나타났다. 이는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더가반응에참여하는 Sn의양이 보다상대적으로많기때문인것으로사료된다. 반면금속간화합물의성장속도는 솔더가 Sn-3.0Ag- 0.5Cu 솔더보다더빠른것으로나타났는데, 이는 솔더의낮은융점에때문인것으로판단된다. 4) 솔더와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더모두열충격싸이클이진행됨에따라기계적인특성이열화되는것을확인할수있었다. 기계적인특성의열화는솔더접합부계면에취약한금속간화합물층의두께의성장때문인것으로판단된다. 후 기 본연구는산업자원부지방기술혁신사업 (RTI04-03-04) 도움으로수행되었습니다. 참고문헌 1. M. Abtew, G. Selvaduray : Materials Science and Engineering, 27 (2000), 95-108 2. D. Suraski and K. Seeling : IEEE Transactions EPM, 24 (2001), 244-248 3. J. K. Lin, A. D. Silva, D. Frear, Y. Guo, S. Hayes, J. W. Jang, L. Li, D. Mitchell, B. Yeung, and C. Zhang : IEEE Transactions EPM, 25 (2002), 300-307 4. J. H. Lau : Low Cost Flip Chip Technologies, McGraw- Hill, NY (2000), 1-17, 183, 184 5. J. H. Lau : Solder Joint Reliability of BGA, CSP, Flip Chip, and Fine Pitch SMT Assemblies, McGraw- Hill, NY (1997), 1-9 6. C. H. Zhon and S. Yi : Soldering & Surface Mount Technology 11/1 (1999), 44-48 7. W. B. Hampshire : Soldering & Surface Mounting. 14 June (1993), 49-52 8. S. Y. Jang, J. Wolf, Oswin Ehrmann, Heinz Gloor, Thomas Schreiber, Herbert Reichl. and Kyung-Wook Paik, Member : IEEE Transactios CPT, 26 (2003), 245-253 9. P. T. Vianco, K. L. Erickson, and P,L. Hopkins : Journal of Electronic Materials, 23 (1994), 721-727 10 J. W. Yoon, Y. H. Lee, D. G. Kim, H. B. Kang, S. J. Suh,.C. W. Yang, C. B. Lee, J. M. Jung, C. S. Yoo and S. B. Jung : Journal of Alloy and Compounds, 381 (2004), 151-157 11.D. G. Kim, S. B. Jung : Materials Transactions, 11 (2005), 2366-2371 大韓熔接學會誌第 24 卷第 6 號, 2006 年 12 月 463