85 연구논문 0402 칩의무연솔더링최적공정연구 방정환 *, 이세형 * 신의선 * 김정한 * 이창우 * * 한국생산기술연구원 Research of Optimum Reflow Process Condition for 0402 Electric Parts Junghwan. Bang*,, Sehyung. Lee*, Yueseon. Shin*, Jeonghan. Kim* and Changwoo. Lee* *Advanced Welding & Joining Service Center, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon 406-130, Korea Corresponding author : nova75@kitech.re.kr (Received November 5, 8 ; Revised November 7, 8 ; Accepted February 19, 9) Abstract Reflow process conditions were investigated for 0402 electric parts with Sn-3.0Ag-0.5Cu solders. Circle hole shape metal mask with 100 m thickness showed excellent printability. Self alignment abilities were 71% for 1005 chips, 52% for 0603 chips, and 3% for 0402 chips. Average joining strengths were 1990 gf for 1005 chips, 867 gf for 0603 chips, and 525 gf for 0402 chips. As mis-mounting angle increased, joining strength decreased. Considering self-alignment ability, mounting angle had to be under 5 and contact area of the chips had to be over 40% for Pb-free soldering process for 0402 chips. Key Words : Surface mount technology, Pb-free soldering, Joining strength, 0402 chips, Self alignment 1. 서론 오늘날전자제품시장은다기능, 초소형, 고신뢰성을요구하고있다. 초소형화의경우전자부품의소형화, 초정밀실장기술이필요하다. 현재실장산업에서대표적소형부품은 1005, 0603칩이다. 2010년에는기술로드맵상 0402 칩및 0201 칩의실장을요구하고있다. 초소형부품의실장은기존실장에비해 Bridge, 솔더미접착, 부품탈락, 정밀도저하등의문제점을안고있다. 이중대표적으로발생하는무연솔더링의문제는솔더인쇄성과장착정밀도를보상할수있는자기배열능이다. 본연구에서는두가지주요공정변수를다양화하여최적의 0402 칩부품의리플로우실장조건을규명하였다. 특히자기배열능의경우 0603, 1005와의비교를통해기존소형칩과동시에실장할수있는공정조건을규명하였다. 2. 사용재료 2.1 PCB와솔더크림 Fig. 1과같이 PCB는전자산업에서많이사용되는 FR4 타입을, 무연솔더는 S사 (Sn 3Ag 0.5Cu) 조성을사 PCB Material Type: FR4 PCB Surface Finish : ENIG Solder S,Metal(Sn3.0Ag 0.5Cu) cream Thickness : 100μm Stencil Mask Hole Shape : Corcle Fig. 1 Test board & Solder cream 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 9 年 2 月 85
86 방정환 이세형 신의선 김정한 이창우 W G H T TYPE H W G T mm A 0.2 0.23 0.14 0.6 Maximum strength B 0.18 0.18 0.14 0.5 Reduce of H, fillet C 0.18 0.155 0.14 0.45 Fig. 2 Test board design in this work 용하였다. 메탈마스크재질은 SUS304 강종이며두께 는 100μm를적용하였다. PCB 솔더링패드의설계는 Fig. 2와같이사전실험을통하여솔더링후칩의접합 강도가우수하고 Bridge, Tombstone 등의공정불량을 최소화할수있는 A 타입을채택하였다. 2.2 장비설정조건 스크린프린터와칩마운터의프로그래밍조건은 Table. 1과같다. 이는 100장의 PCB를연속투입하여 Bridge, Poor solder의불량현상을최소화할수있는조건이다. 리플로우온도의설정은솔더크림제조사의 MSDS (Matrial Safety Data Sheet) 를근거로작성되었으며, Fig. 3은본연구에사용된 3원계 (Sn 3Ag 0.5Cu) 무연 솔더크림의리플로우온도프로파일이다. 3 실험방법 3.1 분석방법 스크린프린터를이용하여정밀인쇄후 0402전용칩 마운터에서장착하였다. 무연리플로우공정의온도조건 은 Fig. 3과같이설정하였다. 칩의장착각도는 0 ( 정상 장착 ), 5, 10, 20, 30 의다섯단계로설정하였다. 30 초 과의장착각도에서는칩마운팅공정에서부품이탈이발 생할수있으므로무의미하다고판단하였다. 틀어짐장 Table 1 Condition of chip mounter and Printe Screen Print speed 20mm/sec printer Force control 8kg Chip Pick up delay msec mounter Mount delay 20msec Probe Positive ( /sec.) Positive time (mm:ss.t) Ramp time (1.0-.0 ) (mm:ss.t) Peak ( ) #1( ) 2.79 01:33.0 01:57.0 241.5 T( ) Negative ( /sec.) -1.81 #2( ) 2.71 01:24.0 01:51.0 239.5-2.07 #3( ) 3.97 01:30.0 01:49.0 239.0-2.22 5.5 #4( ) 2.92 01:24.0 01:35.0 236.0-1.38 #5( ) 2.95 01:37.0 01:56.0 240.5-2.09 #6( ) 3.26 01:26.0 01:55.0 241.5-1.76 Fig. 3 Reflow temperature profile 착각도별자기배열능은각조건당 10개칩의평균값으로산출하였다. 자기배열능은장착각도대비리플로우후복원된각도비율로측정하였으며, 복원후의접합강도를일반적 0402 정축접합된평균접합강도와비교하여평균접합강도의 60% 이상일경우적정조건한으로규명하였다. 접합강도는솔더내부의기공, 젖음성에따라다르게나타날수있는데이는 X-Ray 측정을통해동일조건임을확인하였다. 4. 실험고찰 4.1 인쇄성및자기배열능결과 0402칩최적의인쇄메탈마스크개구부형상및크기를알아내기위해 90%, 100%, 110%, 원형, 오각형, 팔각형등총 6개타입으로인쇄성시험을한결과 Fig. 4와같이메탈마스크의개구부형상은원형에서 Poor solder, Bridge 와같은인쇄불량이가장낮은양호한인쇄성을얻을수있었다. Fig. 5에서나타나듯 1005에서 0603, 0402로칩크기가작아지면자기배열능이현저히저하되는것을볼수있다. 5 틀어짐장착의경우 0603은 52%, 1005는 71% 이나 0402의경우 3% 로현저히낮다. 4.2 0402 칩의접합강도 Fig. 6 에서나타나는바와같이 0402 칩의접합강도는 86 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 9
28254.13 μm 2 372.30 μm 2 23457.30 μm 2 33974,98 μm 2 0402 칩의무연솔더링최적공정연구 87 4.5 4.0 Poor solder Bridge 0 0402 0603 1005 Badness(%) 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 Shear strength(g f ) 1800 1600 1 1 1000 800 600 0.5 0.0 90% 100% 110% Circle Octagon Pantagon Hole shape Fig. 4 Printability results with changing mask hole size and shape 0 5 10 15 20 25 30 20 μm 20 μm 20 μm 20 μm Self alignment ability(%) 80 70 60 40 30 20 10 0 5 10 15 20 25 30 0402 chip 0402 0603 1005 5 10 20 30 Ave. After reflow( ) 4.9 9.8 18.9 29 15.65 Self alignment(%) 2 2 6 3 3 0603 chip 5 10 20 30 Ave. After reflow( ) 1.9 5.5 9.2 16.5 8.27 Self alignment(%) 62 45 54 45 52 1005 chip Fig. 6 Self alignment & shear strength by various mounting angle Shear strength(g f ) 5 0 4 3 300 2 1 100 Joining strength(g ) Shear strength Soldering area 0 5 10 15 20 25 30 5 0 4 3 300 2 1 100 Soldering area 0 5 10 20 30 525 248 231 202 Joining area( μm 2 ) 22,543 19,686 17,746 12,026 8,498 5 10 20 30 Ave. After reflow( ) 1.1 3.6 5.7 9 4.85 Fig. 7 Soldering area and shear strength vs. mounting angle Fig. 5 Self alignment(%) 78 64 71.5 70 71 Self alignment ability with various chip size and mounting angle 정상장착기준약 525g 이며 5, 10, 20, 30 에서 g, 248g, 231g, 202g 로 24%, 53%, 56%, 62% 의강도저하를보인다. 정상장착의 60% 이상 ( 약 315g ) 의접합강도는기계적결함을감수할수있는영역이라사료된다. Fig. 7에서 보듯접합강도는접합영역의감소와동일한비율로감소됨을알수있다. 그러나접합강도는리플로우후의접합각도에강하게의존한다. 불량한접합강도는열충격시험, 열사이클링시험, 진동시험등의가혹한신뢰성시험에서제품에결함을발생시킬가능성이크다. Fig. 8과같이 30 로틀어서장착한경우리플로우후에도평균 29 로거의자기배열이되지않았다. 이경우솔더링칩전극부면적은 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 9 年 2 月 87
88 방정환 이세형 신의선 김정한 이창우 20 μm 20 μm 46012.40 μm 2 372.30 μm 2 Fig. 8 Micrographs of 30 mis-alignment of 0402 chip 전체면적의약 20% 였으며접합강도는 202g 로정상장착대비약 38% 수준이다. 보통 0402칩은 -40 ~125 조건에서 0시간의고 저온열충격을가할경우접합강도가약 14% 저하한다. 무연조건에서 0402칩의접합강도의기준은약315g 로설정하였다. 그이하의접합강도를보이면열충격시험을통과하지못할가능성이높기때문이다. 장착각도 5 조건의경우 g 의비교적양호한강도를보이고신뢰성시험을거치더라도 315g 이상을유지하게된다. 이때의칩전극부의접합면적은 44% 이다. 장착각도 10 이상의조건에서는이미 315g 이하의낮은접합강도를보이며칩전극부접합면적은 40% 이하로떨어진다. 즉, 장착각도 5 이내, 접합면적 40% 이상에서접합강도 315g 이상의양호한접합품질을나타낸다는결과를얻을수있다. Fig. 9의 (a) 와같이열충격시험전에는 IMCs layer 가약 4μm이하의 Columner structure 의형상이지만열충격시험후에는 (b) 에서나타나듯계면에서 IMCs layer 가성장한모습을보인다. 이때솔더링내부형상은 Fig. 10과같이일부소량의미세기공을제외하고는전반적으로양호한상태를보였다. (a) 5. 결론 Fig. 10 X-ray image of reflowed 0402 chips 본연구에서는무연솔더링적용한 0402칩실장공정의최적화를목표로연구하였고다음과같은결론을얻었다. 1) 메탈마스크개구부원형형태에서 Poor solder, Bridge 와같은인쇄불량이가장낮게나타났다. 2) 무연솔더링에서의 0402칩자기배열능은기존의소형칩인 0603, 1005칩에비해평균 5% 이하의불량한자기배열능을보인다. 면적감소비보다표면장력감소비가자기배열능에더큰영향을줌을알수있다. 3) 접합강도에서도 5 이상의장착각도에서기존소형칩과는다르게 300g 이하의급격한강도저하를보였다. 정상장착접합강도 60% 이상의영역을기계적결함을감수할수있는영역으로보았을때접합강도는접합면적의감소와동일한비율로감소된다. 그러나접합강도는리플로우후의접합각도에더강하게의존하게된다. 0402칩의자기배열능에서는접합면적 40% 이상, 장착각도 5 이내를유지하면정상장착 60% 이상의양호한접합강도를얻을수있는것으로나타났다. 후기 본연구는지식경제부산업기술기반조성사업의일환인마이크로조이닝공동연구사업의지원에의한것임을밝힙니다. 참고문헌 (b) Fig. 9 SEM of 0402 chip soldering interface: (a) before thermal shock test and (b) after the thermal shock test 1. D. Rocak, S. Macket, J. Sitek, M. Hrovat, K. Bukat and Z. Drozd: A reliability study of the lead-free solder connections of miniature chip components on hybrid circuits (7), Microelectronics Reliability 47 (7) 986-995 2. M. Ayob and G. Kendall: A survey of surface mount device placement machine optimisation: Machine classification (7)., European Journal of Operational Research 186 (8) 893-914 3. S. Amore, E. Ricci, G. Borzone, R. Novakovic: Wetting behavior of lead-free Sn-based alloys on Cu and Ni substrates, Material Science and Engineering A495 (8) 88 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 9
0402 칩의무연솔더링최적공정연구 89 108-112 4. Hwa-Teng Lee, Heng-Sheng Lin, Cheng-Shyan Lee, Po-Way Chen : Reliability of Sn-Ag-Sb lead-free Solder Joints(5), Matrials Science and Engineering A 407 (5) 36-44 5. A. Tavarez, J. E. Gonjalez : Modeling the Thermal Behavior of Solder Paste Inside Reflow Ovens(2), J. Electron. Package.- September 3-125, Issue 3, ASME,(12 pages) 6. Daijiao Wang, Ronald L. Panton : Experimental Study of Void Formation in Eutectic and Lead-Free Solder Bumps of Flip-Chip Assemblies(5), J. Electron. Package.- September 6-128, Issue 3, ASME,(6 pages) 7. Won-sik Hong, Whee-sung Kim, Noh-chang Park, Kwang-bae Kim : Activation Energy for Intermetallic Compounds Formation of Sn-40Pb/Cu and Sn-3.0Ag- 0.5Cu/Cu Solder Joints(7)-KWJS (82 pages) (In Korean) 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 1 號, 9 年 2 月 89