43 연구논문 Sn-1.7Bi-.7Cu-.6In 솔더의특성연구 박지호 * 이희열 * 전지헌 * 전주선 ** 정재필 * * 서울시립대학교신소재공학과 ** ( 주 ) 단양솔텍 Characteristics of Sn-1.7Bi-.7Cu-.6In Lead-free Solder Ji-Ho Park*, Hee-Yul Lee*, Ji-Heon Jhun*, Chu-Seon Cheon** and Jae-Pil Jung* *Dept. of Mater. Sci. &Eng., University of Seoul, Seoul, 13-743, Korea **Danyangsoltec, Mado-myeon, Hwasung, Kyunggido, 44-861, Korea *Corresponding author ; jpjung@uos.ac.kr (Received April 11, 28 ; Revised May 19, 28 ; Accepted September 1, 28) Abstract Characteristics of Sn-1.7%Bi-.7%Cu-.6%In (hereafter, ) lead-free solder was investigated in this study. The results from were compared to other lead-free solders such as Sn-3.%Ag-.7%Cu (hereafter, ), Sn-.7%Cu (hereafter, ), and lead-bearing Sn-37%Pb (hereafter, SP) alloy. Tensile properties of bulk solder, wettability, spreading index, bridge and dross were evaluated. As experimental results, tensile strength and elongation of was 62.MPa and 21.%, respectively. The tensile strength was comparable to that of SP solder. The wetting time of was 1.2 sec at 2, and its wetting properties including wetting force were as good as the alloy. However, wettability of the was not so good as the and. The spreading index of at 2 was 71%, and it was similar level to those of and solders. Bridging was not found for all solders of, and in the range from 24 to 26. In dross test at 2 for an hour, the amount of dross produced from was about 7% compared to that from. Key Words : lead-free solder, Sn-1.7%Bi-.7%Cu-.6%In, Sn-3.%Ag-.7%Cu, solder characteristics, wetting property 1. 서론 전자부품및패키징에대한무연솔더링의연구와적용이진행되어, 현재무연솔더링이높은신뢰도가필요한군수용을제외한민수용전자제품에넓게적용되고있다 1). 이미잘알려진바와같이 Sn-(3-4)wt%Ag- (.-.7)wt%Cu 계와 Sn-3.wt%Ag, Sn-.7wt%Cu 계솔더들 ( 이하조성은모두 wt% 임 ) 이유력한무연솔더로추천되고있다 2). 이중 Sn-(3-4)%Ag-(.-.7)%Cu 솔더는솔더링특성이양호하지만융점이높고, Ag 3 Sn의과도한성장으로인해솔더링부의낙하 특성이나열충격특성이떨어지는단점도가지고있다 3). 이로인하여최근에는저은계솔더나은을함유하지않은솔더에대한요구도커지고있다. 한편, Sn-.7%Cu ( 이하 ) 는침지및웨이브솔더링용으로서가격이저렴하지만, 융점이 Sn-37%Pb ( 이하 SP) 에비하여약 44 높고, 젖음성은 SP의 7% 를약간상회하는수준으로좋지않다는단점도있다. Sn-Ag-Cu 및 Sn-Cu 계솔더들의상기와같은단점들을개선하기위하여저자등은은을함유하지않은 Sn-1.7%Bi-.7%Cu-.6%In ( 이하 ) 계솔더를개발한바있으며 4,), 최근 및 의단점들과특수전자부품의침지솔더링으로인하여중온용솔더 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 號, 28 年 1 月 47
44 박지호 이희열 전지헌 전주선 정재필 로서관심이증가되고있다. 이미 솔더페이스트를이용한범프에관하여는저자등이시효시간에따른계면의화합물이나접합강도변화등을보고한바있다 6). 그러나, 침지솔더링등에사용하기위한용도로는데이터가부족하며, 기존의무연솔더와의객관적인평가가미흡한상황이다. 또, 본연구의일부분인브리지 (bridge) 나드로스 (dross) 등에관한실험을근거로한연구는드문편이며 7), Sn-Bi-Cu-In계솔더에관해서는보고되지않고있다. 본고에서는용도에따라다양한조성의솔더가존재하는무연솔더분야에 Sn-Bi-Cu-In 계솔더의기초특성을제공하고, 침지솔더링용기초자료로도활용하고자,, Sn- 3.%Ag-.7%Cu ( 이하 ) 등의무연솔더및 SP의인장강도, 젖음성, 브리지, 드로스등의특성을비교하였다. 2. 실험방법 2.1 솔더합금의제조및인장시험 실험을위하여 합금을제조하였다. 이조성의합금은저자등의합금개발초기과정에서융점, 외관등기초성능이양호한조성으로이미밝혀졌기때문에 4,), 연구범위를좁히기위해이한가지조성의합금만선택하였다. 솔더합금은유도가열로를이용하여용융시켰으며, 합금의융융온도는 D (differential scanning calorimetry) 분석결과 214-22 범위인것으로밝혀졌다. 참고로미국의 NCMS (national institute of standards and technology) 에서추천하는무연솔더의용융범위는 3 이내이다 8). 비교솔더로성능평가항목에따라, SP ( 융점 183 ), ( 융점 227 ), ( 융점 217 ) 등의시판용합금을선정하였다. 솔더모재의인장특성을평가하기위하여, 주조에의해스테인레스강금형에벌크상태의초기인장시편을제조하였다. 초기시편은기계가공에의해 Fig. 1과같이 KS 규격 B 81 14B 호의최종인장시편으로제작하였다. 인장시험에사용한솔더는 와비교조성으로 SP를준비하였다. 만능인장시험기를사용 하여시편을인장하였으며, 시편의인장강도와연신율을측정하였다. 인장시험은상온 (18, 습도 47%) 의실내에서실시하였으며, 인장시험기의크로스헤드속도는 1mm/min 로실험을하였다. 각솔더당 4개의시편을제작하여인장강도와연신율을측정하였다. 2.2 젖음성과퍼짐성젖음성시험을위하여 2 1.3mm 크기의 99.99% 의무산소 Cu 박판시편을준비하였다. Cu 시편표면의이물질과산화막을제거하기위하여절단된시편을아세톤에넣어 분간초음파세척하고, 염산희석액에 분간담근후알코올로세척하였다. 젖음성시험기는 IPC-TM-6 에규정된바와같은웨팅밸런스테스터 (wetting balance tester, Rhesca SAT-) 를사용하였다. 플럭스는 RMA (rosin mildly activated) 형을사용하였으며, 솔더조의온도는 24-27 로하였다. Cu 시편의침지속도는 mm/sec. 침지깊이는 3mm, 침지시간은 초, 침지전시편의예열시간 3초로설정하였다. 젖음성시험을통해젖음곡선을얻었으며, 젖음곡선분석은시편의상태나목적에따라저자등도연구한여러가지방법이있겠으나 9-13), 본고에서는산업계에서실용적으로젖음성의척도로많이사용하고있는영점시간 (zero cross time) 과평형젖음력을평가의기준으로삼았다. 솔더의퍼짐성시험 (spreading test) 도실시하였으며시험방법은 Fig. 2와같이 ASTM-B32- 에규정된방법을사용하였다 14). 시험에사용된시편은상기무산소 Cu 박판이며, 솔더는,, 무연계및비교재로 SP 솔더볼을사용하였다. 퍼짐성시험용솔더볼의크기는 μm이며, 플럭스는 BGA(ball grid array) 용 RMA형을사용하였다. 시험은 22-2 온도구간의대기분위기에서리플로솔더링머신을사용하여솔더링한후볼의높이를측정하였다. 퍼짐율은아래퍼짐성지수 (S) (1) 의식으로평가하였으며, 여기서 D는솔더볼의지름, H는솔더가용융-응고과정을거쳐퍼진후의높이를 H D Fig. 1 Tensile test specimen Fig. 2 Schematic illustration of spreading test 476 Journal of KWJS, Vol. 26, No., October, 28
Sn-1.7Bi-.7Cu-.6In 솔더의특성연구 4 나타낸다. 2.3 브리지및드로스시험브리지 (bridge) 시험을위해폭및길이각각 26mm, 중첩부길이 16mm, 피치간격이각각.2,.32mm 인브리지시편을 Fig. 3에보인것과같이제작하였다. Fig. 3에보인시편은회로의절연저항을측정하는용도로도사용되지만, 브리지시험용시편으로도사용되고있다 7). 회로재료는 Cu이고, 기판재는 FR-4 이다. 시편은알코올로세척한후 RMA 형플럭스를도포하였다. 플럭스를활성화하기위하여솔더조위에서 2분간예열한후, 24~26 로유지된용융솔더에회로패턴방향에수직으로시편을 초간침지하였다. 브리지발생은육안관찰을통해발생유무를결정하였으며, 브리지발생율은 전체브리지발생길이 / 동 (Cu) 회로의전체중첩길이 1 (%) 로계산할수있다 7). 드로스시험은솔더를스테인레스강용기 ( 직경 68mm, 높이 7mm) 에넣어 2 로용융시킨상태에서, 1시간동안대기중에서교반기로 12 rpm (revolutions per minute) 으로강제교반한후솔더 1g 당드로스발생량을측정하였다. 드로스를구성하고있는화합물을분석하기위해 XRD (X-ray diffractometer) 분석을행하였다. X선은니켈필터를통과시켜얻은 CuKa 로파장은 1.46A 이었으며, X 선조사속도는.1 /sec, 필라멘트전류는 4mA, 가속전압은 4mV 이었다. 3. 실험결과및검토 3.1 솔더의인장특성과젖음성 Fig. 4는 및 SP 모재의상온인장시험후인장강도를나타낸것이다. 그림에서보듯이 의평균인장강도는 62.MPa 로, SP의평균인장강도 63.MPa와대등한수준으로나타났다. Fig. 는 및 SP의상온인장시험후평균 Width Pitch Fig. 3 Bridge test specimen 2 length Overlap length Tensile strength(mpa) 8. 7. 6.. 4. 3. 2. 1. No.1 No.2 No.3 No.4 Specimen number SP Fig. 4 Tensile strength of the Sn-1.7%Bi-.7%Cu-.6%In and Sn-37%Pb Elongation (%) 4 3 2 1 No.1 No.2 No.3 No.4 Specimen number SP Fig. Elongation of the Sn-1.7%Bi-.7%Cu-.6%In and Sn-37%Pb 연신율을측정한것이다. 의평균연신율은 21.%, SP의평균연신율은 43.9% 로 의연신율이떨어졌다. 연신율의저하는 Bi의영향때문인것으로사료된다. Bi의첨가는고용강화를유발하여솔더의인장강도를증가시키고, 연신율을저하시킨다는연구결과들이보고되었다 1-16). Fig. 6-8은동 (Cu) 시험편에대하여각각,, 솔더의 24-27 에서의젖음곡선측정결과를보인것이다. 3가지솔더모두온도증가에따라영점시간이짧아지고, 평형젖음력이증가하는등젖음성이개선되는것을확인할수있다. Fig. 6 및 Fig. 7의, 두솔더의젖음성을비교해보면, 두솔더모두 24 (; T m + 2, ; T m +23, 단 T m 은액상선온도 ) 에서는젖음력이좋지않았다. 그러나, 2 (; T m + 3, ; T m +33 ) 이상의구간에서 의영점시간은 1.2초, 는 1.3 초로, 두솔더의액상선차이까지고려하여도 의젖음성이 에비해약간우수한것으로나타났다. 반면, 솔더는 26 (T m +33 ) 에서도영점시간이약 2.3 초로나타났다 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 號, 28 年 1 月 477
46 박지호 이희열 전지헌 전주선 정재필 2 1 1 - -1-1. 1. 2. 3. 4.. 6. 7. 8. Immersion time(sec) 24 2 26 27 Fig. 6 Wetting balance curves of the Sn-1.7%Bi-.7%Cu-.6%In solder Zero cross time(sec.) 4 3 2 1 24 24 2 2 26 26 27 Bath temp. ( ) Fig. 9 Effect of solder bath temperature on zero cross times of different Pb-free solders 2 1 1 - -1-1. 1. 2. 3. 4.. 6. 7. 8. Immersion time(sec) 24 2 26 27 Fig. 7 Wetting balance curves of the Sn- 3.%Ag-.7%Cu solder 2 1 1 - -1 24 2 26 27-1. 1. 2. 3. 4.. 6. 7. 8. Immersion time(sec) Fig. 8 Wetting balance curves of the Sn-.7%Cu solder (Fig. 8 참조 ). 절대적인시험온도뿐만아니라, 액상선을고려한가열온도 (T m +33 ) 측면에서도 는, 에비해젖음성이떨어지는것으로나타났다. Fig. 9는용융솔더의온도에따른영점시간변화를정리하여나타낸것으로, 온도증가에따른영점시간의감소를확인할수있다. Takemoto 등 17) 에의하면 Bi 및 In이솔더의젖음성을개선하는원소로알려져있다. Vianco 등 18) 도무연솔더중 Bi는융점을강하시키며젖음성을개선한다 고보고한바있다. 따라서, 솔더의경우 Bi는 1.7%, In은.6% 함유하고있으며, 이들원소가영점시간의감소, 즉젖음성개선에영향을미친것으로판단된다. Fig. 6-8 에서평형젖음력은 와 의경우 26 (; T m+4, ; T m+43 ) 이상에서약 6mN 의값을보이고있다. 반면, 솔더는 26 (T m +33 ) 이하에서는평형젖음력이불안정하며, 27 (T m+43 ) 이상에서약 mn 의값을보이고있다. 이로부터, 와 솔더의젖음력은대체로유사한것으로판단된다. 다만, 는액상선을고려하여 및 와비슷한조건인 T m+43 (27 ) 온도에서 및 에비해젖음력이약간떨어지는것으로나타났다. 의평형젖음력이 26 에서불안정한이유는절대적인온도는동일하지만, 액상선을고려한온도 (T m +33 ) 에서는오히려 1 정도낮기때문에당연한결과이다. 평형젖음력이크다는것은웨이브솔더링혹은리플로솔더링시솔더가젖어서상승할수있는높이를크게하는효과가있다. Fig. 1은상기의평형젖음력들을용융솔더의온도에따라정리하여나타낸것으로, 온도증가에따라젖음력이증가됨알수있다.,,, SP 등여러솔더의퍼짐성실험결과를 Fig. 11에나타내었다. 각무연솔더의퍼짐성은 24 에서 2 로온도가증가할수록퍼짐성지수가미세하게높아지고있다. 2 (; T m + 3, ; T m+33, ; T m+23 ) 에서, 의퍼짐성지수는약 71%, 는약 68% 로나타났으며, 2 에서는세솔더모두거의비슷한값을보였다. 이결과는 SP의 23 (T m+47 ) 에서의퍼짐성지수 82% 보다는낮았으며, 및 의 478 Journal of KWJS, Vol. 26, No., October, 28
Sn-1.7Bi-.7Cu-.6In 솔더의특성연구 47 8 6 4 2-2 -4-6 -8 Solder Temperature ( ) 24 2 26.2mm.32mm.2mm.32mm.2mm.32mm -1-12 24 24 2 2 26 26 27 Bath temp. ( ) Fig. 1 Effect of solder bath temperature on meniscus forces of different Pb-free solders 1 8 6 4 2 22 23 24 24 2 2 Temperature ( ) SP Fig. 11 Spreading indexes of various solders SP에대한퍼짐성지수비율은약 8% 값을보였다. 무연솔더의퍼짐성지수가유연솔더보다떨어지는원인은액상선대비온도차이 (SP 23 기준 ; T m+ 47, 2 기준 ; T m +33 ) 효과가크겠으나, 무연솔더의경우 Sn의산화가용이하고표면장력이더높은것도원인중의하나로여겨진다 13). Fig. 12 Result of bridge test for various solders (.2mm and.32mm indicate pitches of the Cu patterns.) 생을감소시킨다 7). Fig. 6-8 에서보듯이,, 의젖음성에차이는적으며, 이로인해시험된피치의범위내에서이들의브리지발생율도대등한것으로사료된다. Fig. 13은 와 솔더를 2 (; T m +3, ; T m +33 ) 에서 1시간동안강제교반하여드로스시험한결과를보인것이다. Fig. 13에서드로스생성량은솔더 1g 당 솔더는.12g, 는.21g 이었으며, 는 의약 7% 수준으로발생량이적었다. Fig. 14는 및 의드로스에대해 XRD 분석을행한결과이다. 의경우 Sn이큰피크로관찰되었으며, SnO, Bi도작은피크로관찰되었다. 의경우에서도 Sn이큰피크로나타나고, SnO 도확인되었다. 드로스에서 SnO 는 Sn을싸고있는얇은막으로존재하는것으로알려져있다 19). Fig. 14로부터 및 무연솔더의드로스성분으로서 Sn, Bi 등솔더금속성분과 SnO 산화물등을확인할수있었다. 3.2 브리지및드로스 브리지는인접한전극이나패드사이가솔더에의해연결되는것을말하며, 브리지가발생하면회로가단락되어전자제품의기능이상실된다. 유연솔더보다젖음성이저하된무연솔더는브리지의증가를유발할수있다 7). Fig. 12는,, 무연솔더의브리지시험결과를보인것이다. 각시험조건에서좌측시편의피치는.2mm, 우측시편의피치는.32mm 이다. 시험결과, 일반적인솔더링온도범위인 24-26 에서세무연솔더모두브리지가발생되지않는결과를얻었다. 일반적으로젖음성이우수한재료가브리지발 Fig. 13 Comparison of dross amount produced by Sn-1.7%Bi-.7%Cu-.6%In (a), and Sn-3.%Ag-.7%Cu (b) 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 號, 28 年 1 月 479
48 박지호 이희열 전지헌 전주선 정재필 Intensity / a.u. 2 Sn SnO Bi 3 4 6 7 8 2 theta / degree(cu Ka) Fig. 14 Result of XRD analysis for the dross of Sn-1.7%Bi-.7%Cu-.6%In and Sn-3.%Ag-.7%Cu 4. 결론 1) 솔더의젖음곡선분석결과 2 에서 Sn- 1.7%Bi-.7%Cu-.6%In 의영점시간은약 1.2초, Sn-3.%Ag-.7%Cu는약 1.3초로거의대등하였으며. Sn-.7%Cu는 26 에서영점시간이약 2.3초로상대적으로다소떨어졌다. 2) 퍼짐성지수는 2 에서 Sn-1.7%Bi-.7%Cu-.6%In와 Sn-3.%Ag-.7%Cu는약 71%, Sn-.7%Cu 는약 68% 이고, 2 에서는세솔더모두거의동일한값을나타내었다. 이들무연솔더들의퍼짐성지수는 Sn-37%Pb 대비약 8% 수준이었다. 3) 브리지시험에서동회로피치.2mm 및.32mm 에대하여, 24-26 온도에서 Sn- 1.7%Bi-.7%Cu-.6%In와 Sn-3.%Ag-.7%Cu, Sn-.7%Cu 세솔더모두브리지가발생되지않았다. 4) 드로스시험에서솔더를 2 에서 1시간교반한경우, Sn-1.7%Bi-.7%Cu-.6%In 는솔더 1g 당.12g, Sn-3.%Ag-.7%Cu는.21g 의드로스가생성되었으며, 드로스의구성성분으로솔더의금속성분인 Sn, Bi와산화물인 SnO 가확인되었다. ) Sn-1.7%Bi-.7%Cu-.6%In 및 Sn-37%Pb 의벌크재의인장강도는각각 62.MPa, 63.MPa 이며, 연신율은각각 21.%, 43.9% 로나타났다. 감사의글 본연구는 28 년서울시립대학교의연구교수지원사업에의해수행되었으며이에감사드립니다. 참고문헌 1. 문영준, 이지원, 정재필, 무연솔더양산기술개발, 삼성전자 - 산업자원부, 23 (in Korean) 2. K.Suganuma, Advances in lead-free electronics soldering, Curr. Opin. Solid State Mater. Sci., -1 (21), -64 3. Y. Lai, P.C. Chen and C. Yeh, The effect of IMC microstructure of solder joint on the mechanical drop performance in SnXAgCu and SnAgCuX CSP package, IEEE 6 th Elec. Compo. and Tech. Conf., 26, San Diego, USA, 193-1939 4. 이재옥, 정재필, Sn-Bi-Cu-In 계무연솔더개발, 아주금속, 21 (in Korean). 전주선, 정재필, 서창제, Fine Fitch용 Voc-Free 무연크림솔더개발, 산업자원부, 24 (in Korean) 6. J.S. Lee, J.P. Jung, C.S. Cheon, Y. Zhou and M. Mayer, Flip chip bump formation of Sn-1.8Bi-.8Cu-.6In solder by stencil printing, Mater. Trans., 46-11 (2), 239-236 7. T.Takemoto, T.Funaki, M.Miyazaki and A.Matsunawa, Solder bridging test to evaluate the compatability for fine-pitch microsoldering, Circuit World, 24-1 (1997), 39-44 8. NCMS, Lead-free solder project final report, 1997 9. J.Y. Park, J.P. Jung and C.S. Kang, The analysis of the withdrawal force curve of the wetting balance curve, IEEE Trans. Compo. and Pack. Tech., 22-3 (1999), 372-377 1. J.Y. Park, J.S.Ha, C.S. Kang, K.S.Shin, M.I.Kim and J.P. Jung, Study on the soldering in partial melting state(1)-analysis of surface tension and wettability. J. of Electron. Mater., 29-11 (2), 114-112 11. S.M. Hong, J.Y.Park, J.P. Jung and C.S. Kang, Fluxless wetting properties of one-side-coated under bump metallurgy and top surface metallurgy, J. of Electron. Mater., 3-8 (21), 937-944 12. S.M. Hong, J.Y.Park, C.S. Kang and J.P. Jung, Fluxless wetting properties of the UBM-coated Siwafer to Pb-free solders under different atmosphere, Mater. Trans., 42-3 (21), 2-27 13. 정재필, 신영의, 임승수, 무연마이크로솔더링, 삼성북스, 21, 73-11 (in Korean) 14. ASTM-B32-, Standard specification for solder metal, 23 1. I.Shohji, T.Yoshidaa, T.Takahashib and S.Hiokib, Tensile properties of Sn Ag based lead-free solders and strain rate sensitivity, Mater. Sci. and Eng., A366 (24), - 16. M. L. Huang and L. Wang, Effects of Cu, Bi, and In on microstructure and tensile properties of Sn-Ag-X(Cu, Bi, In) solders, Metall.l and Mater. Trans. A, 36-6 (2), 1439-1446 17. T.Takemoto and M.Miyazaki, Effect of excess temperature above liquidus of lead-free solders on wetting time in a wetting balance test, Mater. Trans., 42- (21), 74-7 18. P.T.Vianco, J.A.Rejent, Properties of ternary Sn-Ag-Bi solder alloys, part 2; Wettability and mechanical properties analysis, J. of Electron. Mater., 28 (1999), 1138-1143 19. R.J.K.Wassink, Soldering in Electronics, 2nd ed., 1989, Electrochemical Publication, 177 48 Journal of KWJS, Vol. 26, No., October, 28