분야
zip2. 이론적 배경
2.1 Pb Solder의 사용
2.1.1 Pb Solder의 사용
2.1.2 Pb Solder의 문제점
2.2 Pb Free Solder
2.2.1 Pb Free Solder 종류 및 비교
2.2.2 Pb Free Solder의 기계적 특성 평가
3. 본론
3.1 Mechanical Bonding Test
3.1.1 Tensile Properties
3.1.2 Shear Properties
3.2 Creep
3.3 Fatigue
4. 결론
5. Reference
Sn-Pb Solder는 전자제품 조립에 안정적으로 사용되어 왔고 솔더링 공정 및 설계가 모두 이것을 기준으로 정립되었기 때문에 새로운 합금으로 대체한다는 것은 아주 어려운 일이면서도 반드시 이루어야 하는 과제이다. 이러한 배경 때문에 Pb를 사용하지 않는 대체합금에 대한 필요조건은 많다. 요구되는 특성으로는 크게 합금의 기본특성, 작업성, 접합부의 신뢰성으로 나눌 수 있다. 특히 요구되는 기본적인 특성으로는 융점, 젖음성, 가격, 공급 가능성, 환경문제 등이다.
현재 전자기기의 솔더링은 Sn-Pb 공정합금을 중심을 융점 120℃부터 융점 300℃ 전후의 고융점 합금까지 다양한 융점을 가진 합금이 사용되고 있다. 이 중에서 Sn-Pb 공정계 합금이 가장 많이 사용되기 때문에 이 합금의 융점인 183℃을 기준으로 개발하는 것을 생각한다면, 융점은 약 200℃ 이하이어야 할 것이다. 현재 사용되고 있는 Solder의 양은 년 간 6만 톤을 사용하고 있기 때문에 매장량과 생산량이 풍부하면서도 가격이 낮은 원소로 구성되어야 하며 환경상의 문제가 발생하지 않는 합금으로 구성되어야 할 것이다. 또한 기판 및 리드 선 재료와 젖음성이 양호하여야 한다. 다음으로는 이러한 기본적인 특성을 만족하더라도 작업공정에 적합성이 문제가 된다. 즉, 현재 사용되고 있는 공정을 변경하지 않고 사용이 가능하여야만 한다. Reflow Soldering의 경우 인쇄성이 양호하여야 하고 분말로 만들기 쉬워야 하며 안전하게 보존하기 위해서는 내산화성이 양호하여야 할 것이다. 또한 모재나 도금층과의 반응에 의한 금속간 화합물의 형성이 가능하면 없어야 하고 Bridge나 Solder Ball 과 같은 결함이 발생하지 않고 필렛 형성이 양호하여야 할 것이다.
이러한 작업공정의 적합성 문제는 다음의 제품의 신뢰성 문제로 연결된다. 접합부의 신뢰성문제는 접합부의 기계적, 물리적, 화학적, 전기적 성질이 우수하여야 할 것이다. 특히 기계적 성질 중에서 열피로 특성은 신뢰성의 가장 중요한 인자이다. Sn-Pb 합금은 일반적으로 열피로 특성이 아주 낮기 때문에 큰 염려는 되지 않는다. Pb-free Solder를 개발하는 데에 가장 바람직한 것은 현재 사용되고 있는 공정을 변경시키지 않는 것이다. 이것은 현재의 생산설비와 생산 공정을 모두 변경하는 데에는 장시간이 소요될 뿐만 아니라 막대한 비용이 들고 신뢰성을 확인하는 데에는 수십 년의 기간이 요구되기 때문이다.
지금까지 사용되어 오던 Sn-40%Pb Solder를 대체할 수 있는 합금은 완전히 합금계를 변경하는 것이 아니라 Sn을 베이스로 하고 여기에 Pb 대신에 다른 원소들을 첨가한 합금 개발이 주축을 이루고 있다. 왜냐하면 Sn 이외에 다른 원소는 융점이 높고 Ga, In등은 융점이 낮더라도 매장량이 적어 충분히 생산할 수 없고 고가이기 때문이다. Sn 베이스 합금이어야만 한다는 근거는 다음과 같다
위의 기본 요구조건에서 우리는 앞으로 접합 신뢰성에 관해서 연구해 볼 것이다. 특히 에서 볼 수 있듯이 종정 Sn-Pb Solder를 Pb-Free Solder로 바꿈에 있어 접합 신뢰성은 부품의 내열성강화, 도금재질의 변경, Reflow 온도 재설정, Solder 재료 변경, PCB Design의 변경, 표면처리의 변경 등의 문제가 현재의 과제가 되고 있다. 여기에서는 Solder 재료 변경에 의한 Mechanical Property의 측정으로 여러 Solder 재료들을 비교해 보겠다.
먼저 Solder Ball과 PCB 기판과의 접착력 Test를 위해 Mechanical Bonding Test를 실시하여 Sn-Pb Solder와 Pb-Free Solder 간의 차이를 확인하고 Pb-Free Solder중에서도 각 재료마다의 Mechanical Bonding Test를 실시하여 Bonding Force를 체크한다. 보통 Soldering 된 제품이 받는 Stress 는 Tensile Stress 보다는 Shear Stress 가 주요하기 때문에 Solder 선택 시에는 Solder의 Tensile Property 보다는 Shear Pr
1. M. Abtew and G. Selvaduray : Lead-free solder in microelectronics, Mater. Sci. Eng. 27 (2000)
2. 한국 마이크로 조이닝 협회 : 무연Solder 실장기술, (2005)
3. Solid state intermetallic compound growth between Copper and high temperature, Tin-rich solders-Part 1. P.T Vianco : Journal of Electronic Materials, Vol.23, No.8 (1994)
4. Shear testing and failure mode analysis for evaluation of BGA Ball attachment : 1999 IEEE international symposium.
5. 일본 용접학회 전국대회 강연 개요 57집 (1995)
6. B.R. Allenby et al : Circuit World, 19-2 (1993)
7. Woo-Young Kim, Bo-In Noh, In-Chul Kim : The Estimate of Progress Conditions and Operation Preperty/Reliability of Pb-Free Journal of KWS, 20-3, (2002)
8. Dae-Gon Kim, Jong-Woong Kim, Jung-Goo Lee, Hirotaro Mori, David J. Quesnel and Seung-Boo Jung : Solid state interfacial reaction and joint strength of Sn-37Pb solder with Ni-P under bump metallization in flip chip application, 395 (2005)
9. Jong-Woong Kim, Dae-Gon Kim, Won-Sik Hong and Seung-Boo Jung :
