The present study investigates the impact shear strength of thermal aged Sn-3Ag-0.5Cu lead-free solder joints at impact speeds ranging from 0.5 m/s to 2.5 m/s. The specimens were thermal aged for 24, 100, 250 and 1000 hours at $100^{\circ}C$. The experimental results demonstrate that the shear strength of the solder joint decreases with an increase in the load speed and aging time. The shear strength of the solder joint aged averagely decreased by 43% with an increase in the strain rate. For the as-reflowed specimens, the mode II stress intensity factor ($K_{II}$) of interfacial IMC between Sn-3.0Ag-0.5Cu and a copper substrate also was found to decrease from $1.63MPa.m^{0.5}$ to $0.97MPa.m^{0.5}$ in the speed range tested here. The degradations in the shear strength and fracture toughness of the aged solder joints are mainly caused by the growth of IMC layers at the solder/substrate interface.
The electroplating process for a solder bump which can be applied for a flip chip was studied. Si-wafer was used for an experimental substrate, and the substrate were coated with UBM (Under Bump Metallization) of Al(400 nm)/Cu(300 nm)Ni(400 nm)/Au(20 nm) subsequently. The compositions of the bump were Sn-Cu and eutectic Sn-Pb, and characteristics of two bumps were compared. Experimental results showed that the electroplated thickness of the solders were increased with time, and the increasing rates were TEX>$0.45 <\mu\textrm{m}$/min for the Sn-Cu and $ 0.35\mu\textrm{m}$/min for the Sn-Pb. In the case of Sn-Cu, electroplating rate increased from 0.25 to $2.7\mu\textrm{m}$/min with increasing current density from 1 to 8.5 $A/dm^2$. In the case of Sn-Pb the rate increased until the current density became $4 A/dm^2$, and after that current density the rate maintains constant value of $0.62\mu\textrm{m}$/min. The electro plated bumps were air reflowed to form spherical bumps, and their bonded shear strengths were evaluated. The shear strength reached at the reflow time of 10 sec, and the strength was of 113 gf for Sn-Cu and 120 gf for Sn-Pb.
Sn-9Zn solder balls were bonded to Cu and ENIG (Electroless Nickel/Immersion Gold) pads, and the effect of aging on their joint reliability was investigated. The interfacial products were different from the general reaction layer formed in a Sn-base solder. The intermetallic compounds formed in the solder/Cu joint were $Cu_{5}Zn_{8}$ and $Cu_{6}Sn_{5}$. After aging treatment, voids formed irregularly at the bottom side of the solder because of Sn diffusion into the $Cu_{5}Zn_{8}$ IMC. In the case of the solder/ENIG joint, $AuZn_{3}$ IMCs were formed at the interface. In the case of the Sn-9Zn/ENIG, the shear strength remained nearly constant in spite of aging for 1000 hours at $150^{\circ}C$. On the other hand, in the case of the Sn-9Zn/Cu, the shear strength significantly decreased after aging at $150^{\circ}C$ for 100hours and then remained constant by further prolonged aging. Therefore, the protective plating layer such as ENIG must be used to ensure the mechanical reliability of the Sn-9Zn/Cu joint.
Kim, Mi-Song;Hong, Won Sik;Oh, Chul Min;Kim, Keun-Soo
Journal of Welding and Joining
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v.35
no.3
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pp.21-27
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2017
A soldering temperature of ($235{\pm}3$) $^{\circ}C$ is described in ISO 9455-15 for the copper corrosion test. However, this temperature is not suitable for performing lead-free solder pastes. We evaluated the compatibility of a lead-free solder paste in the experimental conditions of (Liquidus temperature + ($35{\pm}3$)) $^{\circ}C$. Based on the results after a Cu corrosion test, a proper temperature for Pb-free soldering was (melting point+($35{\pm}3$)) $^{\circ}C$. Criteria used to evaluate corrosion due to discoloration of flux residue is described in ISO 9455-15, but a more quantitative evaluation standard is needed. In this study, experimental error level was estimated by analyzing flux residue after a corrosion test for 72, 500 hours of specimens using EDS analysis with acceleration voltage. It was determined that the copper area at the flux residue boundary is suitable for the EDS analysis area.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.29
no.3
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pp.152-158
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2016
The bonding characteristics of MLCCs (multi layer ceramic capacitor, C1608) lead-free solder (SAC305) joints were evaluated through thermal shock test ($-40^{\circ}C{\sim}125^{\circ}C$, total 1,800 cycle). After the test, IMCs( intermetallic compounds) growth and cracks were verified, also shear strengths were measured for degradation of solder joints. In addition, The thermal stress distributions at solder joints were analyzed to compare the solder joints changes before and after according to thermal shock test by FEA (finite elements analysis). We considered the effects of IMCs growth at solder joints. As results, the bonding characteristics degradation was occurred according to initial crack, crack propagations and thermal stress concentration at solder-IMCs interface, when the IMCs grown to solder inside.
A lack of study on the dynamic tensile strengths of Sn-based solder joints at high strain rates was the motivation for the present study. A modified miniature Charpy impact testing machine instrumented with an impact sensor was built to quantitatively evaluate the dynamic impact strength of a solder joint under tensile impact loading. This study evaluated the tensile strength of lead-free solder ball joints at strain rates from $1.8{\times}10^3s^{-1}$ and $8.5{\times}10^3s^{-1}$. The maximum tensile strength of the solder ball joint decreases as the load speed increases in the testing range. This tensile strength represented that of the interface because of the interfacial fracture site. The tensile strengths of solder joints between Sn-3.0Ag-0.5Cu and copper substrate were between 21.7 MPa and 8.6 MPa in the high strain range.
In this study, we optimized Pb-free Sn/Ni plating thickness and conditions were optimized to counteract the environmental regulations, such as RoHS and ELV(End-of Life Vehicles). The $B_{10}$ life verification method was also suggested to have been successful when used with the accelerated life test(ALT) for assessing Pb-free solder joint life of piezoelectric (PZT) ceramic resonator. In order to evaluate the solder joint life, a modified Norris-Landzberg equation and a Coffin-Manson equation were utilized. Test vehicles that were composed of 2520 PZT ceramic resonator on FR-4 PCB with Sn-3.0Ag-0.5Cu for ALT were manufactured as well. Thermal shock test was conducted with 1,500 cycles from $(-40{\pm}2)^{\circ}C$ to $(120{\pm}2)^{\circ}C$, and 30 minutes dwell time at each temperature, respectively. It was discovered that the thermal shock test is a very useful method in introducing the CTE mismatch caused by thermo-mechanical stress at the solder joints. The resonance frequency of test components was measured and observed the microsection views were also observed to confirm the crack generation of the solder joints.
Many researches related to the reliability of Pb-free solder joints with PCB (printed circuit board) surface finish under thermal or vibration stresses are in progress, because the electronics is operating in hash environment. Therefore, it is necessary to assess Pb-free solder joints life with PCB surface finish under thermal and mechanical stresses. We have investigated 4-points bending fatigue lifetime of Pb-free solder joints with OSP (organic solderability preservative) and ENIG (electroless nickel and immersion gold) surface finish. To predict the bending fatigue life of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joints, we use the test coupons mounted 192 BGA (ball grid array) package to be added the thermal stress by conducting thermal shock test, 500, 1,000, 1,500 and 2,000 cycles, respectively. An 4-point bending test is performed in force controlling mode. It is considered that as a failure when the resistance of daisy-chain circuit of test coupons reaches more than $1,000{\Omega}$. Finally, we obtained the solder joints fatigue life with OSP and ENIG surface finish using by Weibull probability distribution.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.15
no.4
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pp.51-57
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2008
In this paper, wetting and interfacial reaction properties for low Ag containing Sn-Ag-Cu Pb-free solder alloy, i.e., Sn-0.3Ag-0.7Cu were investigated and compared with those of Sn-1.0Ag-0.5Cu and Sn-3.0Ag-0.5Cu. Melting behavior and stress-strain curves of some Sn-xAg-xCu alloys were also measured using a differential scanning calorimeter(DSC) and a tensile test machine, respectively. In order to enhance insufficient wetting properties of Sn-0.3Ag-0.7Cu alloy, the improvement of wetting properties were analyzed by applying fluxes containing higher content of halide or indium adding of 0.2wt.% into the solder alloy. It was concluded that the small addition of indium is more effective for the improvement of wettability in low temperature range of $230{\sim}240^{\circ}C$ than applying flux containing higher content of halide.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.16
no.3
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pp.11-17
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2009
The drop impact reliability comes to be important for evaluation of the life time of mobile electronic products such as cellular phone. The drop impact reliability of solder joint is generally affected by the kinds of pad and reflow number, therefore, the reliability evaluation is needed. Drop impact test proposed by JEDEC has been used as a standard method, however, which requires high cost and long time. The drop impact reliability can be indirectly evaluated by using high speed shear test of solder joints. Solder joints formed on 3 kinds of surface finishes OSP (Organic Solderability Preservation), ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) and ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) was investigated. The shear strength was analysed with the morphology change of intermetallic compound (IMC) layer according to reflow number. The layer thickness of IMC was increased with the increase of reflow number, which resulted in the decrease of the high speed shear strength and impact energy. The order of the high speed shear strength and impact energy was ENEPIG > ENIG > OSP after the 1st reflow, and ENEPIG > OSP > ENIG after 8th reflow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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