Thermodynamic Issues of Lead-Free Soldering in Electronic Packaging

전자 패키징에 사용되는 무연 솔더에 관한 열역학적 연구

In soldering of electronic packaging, the research on substituting lead-free solder materials for Pb-Sn alloys has become active due to environmental and health concerns over the use of lead. The reliability of the solder joint is very important in the development of solder materials and it is known that it is related to wettability of the solder over the substrate and microstructural evolution during soldering. It is also highly affected by type and extent of the interfacial reaction between solder and substrate and therefore, it is necessary to understand the interfacial reaction between solder and substrate completely. In order to predict the intermetallic compound (IMC) phase which forms first at the substrate/solder interface during the soldering process, a thermodynamic methodology has been suggested. The activation energy for the nucleation of each IMC phases is represented by a function of the interfacial energy and the driving force for phase formation. From this, it is predicted that the IMC phase with the smallest activation energy forms first. The grain morphology of the IMC at the solder joint is also explained by the calculations which use the energy. The Jackson parameter of the IMC grain with a rough surface is smaller than 2 but it is larger than 2 in the case of faceted grains.

전자 패키징에 사용되는 솔더합금에 납을 함유됨으로써 인하여 야기되는 환경적 문제와 인체 유해성 때문에 Pb-Sn 합금계를 대체할 수 있는 새로운 무연 솔더 재료의 필요성이 대두되고 있다. 새로운 솔더합금의 개발에 있어서 솔더 조인트의 신뢰성이 가장 중요한 문제라고 할 수 있는데, 솔더 조인트의 신뢰성은 솔더와 기판 사이의 계면 반응 형태와 그 정도에 의해서 크게 영향을 받기 때문에 솔더와 기판 사이의 계면 현상에 관한 더 깊은 이해가 필요하게 된다 솔더링 동안 기판/솔더 계면에서 가장 먼저 생성되는 금속간 화합물의 상을 예측하기 위한 열역학적인 방법이 제안되었다. 계면 에너지와 석출 구동력의 함수로 표현되는 각각의 금속간 화합물에 대한 핵생성 활성화 에너지를 비교함으로써 활성화 에너지가 가장 낮은 금속간 화합물이 가장 먼저 생성된다고 예측하였다. 거기에 더해 에너지를 기반으로 한 계산을 통하여 솔더 조인트에서 금속간 화합물의 입자 형상을 설명하였다. 울퉁불퉁한 계면을 가진 금속간 화합물의 Jackson의 parameter 값은 2보다 작은 반면 평평한 입자의 경우 2보다 크게 된다.