• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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• v.17 no.2
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• pp.41-47
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• 2010

The effect of PCB and BGA pad designs was investigated on the mechanical property of Pb-free solder joints. The mechanical property of solder joint was tested by three different test methods of drop impact tests, bending impact test, and high speed shear test. Two kinds of pad design such as NSMD (Non-Solder Mask Defined) and SMD (Solder Mask Defined) were applied with the OSP finished Pb-free solder (Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu). in the drop impact test and bending impact test, the characterized lifetime showed the same tendency, and SMD design showed better mechanical property of solder joint than NSMD regardless of test method, which was due to the different crack path. The fracture crack on SMD pad was propagated along the intermetallic compound (IMC) layer of solder joint, while the fracture crack on NSMD pad propagated through upper edge of land which shields pattern. In the high speed shear test, pad lift occurred on the solder joint of NSMD. SMD/SMD combination of pad design consequently illustrated the best mechanical property of BGA/PCB solder joint, followed by SMD/NSMD, NSMD/SMD, and NSMD/NSMD.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2008.06a
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• pp.226-226
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• 2008

지난 10여년 동안 Sn-3.0Ag-0.5(wt%)Cu 합금은 대표 무연솔더 조성으로 다양한 전자제품의 실장 및 접합에 적용되어 왔으며, 그 신뢰성 역시 충분히 검증된 바 있다. 그러나 최근 Ag 가격의 급격한 상승과 솔더 접합부의 내 충격 신뢰성을 보다 향상시키고자 하는 업계의 동향은 Ag의 함량이 낮은 무연솔더 조성의 적용 확대를 유도하고 있다. 이에 따라 본 연구자들은 저 Ag 함유 무연슬더로 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In 조성을 제안한 바 있는데, 이는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성 이상의 solderability를 가지면서도 그 금속원료 가격이 약 20% 가량 저렴한 특징을 가진다. 또한 열 싸이클링 (cycling) 테스트를 통한 슬더 조인트의 신뢰성을 평가한 결과, Sn-3.0Ag-0.5Cu에 크게 뒤떨어지지 않는 양호한 특성이 관찰되었다. 따라서 본 연구에서는 열 싸이클링 테스트와 더불어 최근 그 중요성이 지속적으로 커지고 있는 내 충격 신뢰성 평가 시험을 실시하여 개발된 4원계 무연솔더 조성의 기계적 특성을 기존 무연솔더 조성과 비교, 분석해 보았다. 각 솔더 조성은 솔더 볼 형태로 제조되어 CSP(Chip Scale Package) 상에 범핑 (bumping)되었으며, CSP를 PCB(Printed Circuit Board) 상에 실장하는 공정에서도 Sn-3.0Ag-0.5Cu 및 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In의 두 종류의 솔더 페이스트가 사용되었다. 본 연구에서의 내 충격 신뢰성 시험에는 자체 제작한 rod drop 시험기를 사용하였는데, 고정된 CSP 실장 board의 후면 부위를 일정한 높이에서 추를 반복적으로 자유 낙하시켜 급격한 충격을 주는 방식으로 실험을 실시하였다. 이 때 추의 무게는 30g, 낙하 높이는 10cm 였으며, 추의 낙하 시 측정된 board 의 휨 변위량은 약 0.7mm로 측정되었다. 사용된 CSP와 PCB 는 모두 daisy chain 방식으로 연결되어 있기 때문에 저항측정기를 사용한 간단한 실시간 저항 측정 방법으로 시험 이력에 따른 파단부의 발생 시점과 대략의 위치를 손쉽게 확인할 수 있었다. 솔더 조인트의 파단 기준 저항값으로 $1000\Omega$을 설정하였으며. 각 조건 당 5 개 이상의 샘플에 대해 평가를 실시한 후 그 평균값을 조사하였다. 시험 결과 제안된 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In 조성은 대표적인 저 Ag 함유 조성인 Sn-1.0Ag-0.5Cu에 비해서는 떨어지는 내 충격 신뢰성을 나타내었지만, 우수한 연성에 기인하여 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성에 비해서는 약 2 배 이상 우수한 신뢰성이 관찰되었다. 또한 CSP의 실장 시 Sn-3.0Ag-0.5Cu보다 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In 조성 솔더 페이스트를 적용한 경우에서 보다 우수한 내 충격 신뢰성을 나타내어 기본적으로 개발된 Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In 솔더 페이스트가 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성의 기존 솔더 페이스트 보다 내 충격 신뢰성이 우수함을 검증할 수 있었다. 각 조성의 솔더 조인트를 $150^{\circ}C$ 에서 500시간 aging한 후 실시한 내 충격 신뢰성 평가에서는 모든 조성에서 그 신뢰성이 급감하는 경항을 나타내었으나, Sn-1.2Ag-0.5Cu-0.4In가 Sn-l.0Ag-0.5Cu보다도 그 상대적인 신뢰성이 우수한 것으로 관찰되었다. 이와 같이 aging 후 실시하는 충격시험은 가장 실제적인 상황과 유사한 조건이므로 상기의 실험 결과는 매우 고무적이었으며, 이에 대한 보다 면밀한 분석이 요청되었다. 마지막으로 파면 및 미세조직 관찰을 통하여 각 조성에서의 충격 파단 특성을 비교, 분석해 보았다.

• Proceedings of the KWS Conference
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• 2009.11a
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• pp.80-80
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• 2009

패키징 구조의 발전이 점차 중요한 문제로 대두되어, 칩의 집적 기술의 발전에 따라 실장기술에서도 고속화, 소형화, 미세피치화, 고정밀화, 고밀도화가 요구되고있다. 최근 선진국을 중심으로 전자 전기기기 및 부품의 실장기술에서도 환경 친화적인 기술을 요구함에 따라, 저에너지 공정 및 무연 실장 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 기존의 SOP(Small Out-line Package), QFP(Quad Flat Package) 등은 소형화, 다핀화, 고속화, 실장성에 한계가 있기 때문에, SMT(Surface Mount Technology) 형식으로 된 BGA(Ball Grid Array)가 휴대형 전화를 비롯한 기타 전자 부품 실장에 널리 사용되고 있다. BGA ball shear 법은 BGA 모듈의 생산 및 취급 중에 발생할지도 모르는 기판에 수평으로 작용하는 기계적인 전단력에 BGA solder ball이 견딜 수 있는 정도를 측정하기 위해 사용되는 시험법이다. 전단 시험에 의한 전단 강도의 측정 외에 전기전도도 측정, 파면 관찰, 이동거리(displacement), 유한요소 해석법 등을 병행하여 시험법의 신뢰성 향상에 대한 연구가 이루어지고 있다. 본 실험에서는 지름이 $500{\mu}m$인 Sn-3.5Ag 솔더볼을 이용하여 세라믹 기판을 접합하여 BGA 패키지를 완성하였다. 상부 기판에 솔더볼을 정렬시켜 리플로우 방법으로 접합 한 후 솔더볼이 접합된 상부 기판과 하부 기판을 접합 하여 시편을 제작하였다. 접합된 시편들은 $150^{\circ}C$에서 0~800시간 열처리를 실시하였고, 열처리를 하면서 각각 $3{\times}10^2A/cm^2,\;5{\times}10^3A/cm^2$의 전류를 인가하였다. 시편들을 전단 시험기를 이용하여 솔더볼의 기계적 특성 평가를 하였으며, 계면 반응을 관찰하였다.

• Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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• 2009.05a
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• pp.35.2-35.2
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• 2009

최근 본 연구실에서 무연 솔더를 위한 새로운 Cu-Zn 합금 젖음층을 개발하였다. 전해도금을 통하여 Cu-Zn 합금층을 형성한 뒤 그 위에 Sn-4.0wt% Ag-0.5wt% Cu (SAC 405) 솔더를 리플로 솔더링을 통해 솔더접합부를 형성하였으며 계면에서 생성된 금속간 화합물의 형성 및 성장 거동을 연구하였다. SAC/Cu 시스템의 경우, $150^{\circ}C$에서 시효 처리를 실시하는 동안 솔더와 도금된 Cu 계면에서 $Cu_6Sn_5$ 상과 미세한 공공이 형성된 $Cu_3Sn$ 상이 발견되었다. 반면에 SAC/Cu-Zn 시스템에서는 계면에서 $Cu_6Sn_5$ 상만이 형성되었다. 또한 큰 판상형의 $Ag_3Sn$ 상이 SAC/Cu 시스템에 비해 현저하게 억제되었다. SAC/Cu-Zn 계면에서의 금속간 화합물의 성장 속도가 SAC/Cu 계면에서 형성된 금속간 화합물의 성장 속도보다 느리게 나타났다. Cu-Zn 젖음층의 Zn가 솔더와 Cu-Zn 층 사이에서 Cu와 Sn 원자의 상호 확산을 방해하기 때문이다. 본 연구에서는 Cu와 Cu-Zn 층을 이용한 솔더 접합부의 낙하 충격 신뢰성을 연구하였다. 낙하 충격 시험 시편은 두 개의 인쇄 회로 기판을 SAC 405 솔더볼을 이용하여 리플로를 통해 상호연결 하여 제조되었다. 이 때, 각각의 인쇄 회로 기판의 패드에는 Cu 층과 Cu-Zn층을 전해도금을 통하여 각각 $10{\mu}m$두께의 젖음층을 형성하였다. 낙하 시험 시편을 제조한 뒤, 시효 처리에 대한 낙하 저항 신뢰성의 특성을 연구하기 위해 250, 500 시간동안 시효처리를 한 후 각 조건에서 계면에 형성된 금속간 화합물의 성장 거동을 관찰하였으며, 낙하 충격 시험을 실시하였다. 낙하 시험은 daisy chain으로 연결된 시편의 저항이 100 Ohm 이상 측정되었을 때 중단되도록 하였다. Cu-Zn/SAC/Cu-Zn 시편의 경우 초기 리플로를 하였을 때 불량이 발생하는 평균 낙하 수는 350이며, Cu/SAC/Cu 시편의 평균 낙하수는 200 미만으로 나타났다. Cu/SAC/Cu 시편의 경우, 시효처리 시간이 증가함에 따라 평균 낙하수는 큰 폭으로 감소하였지만, Cu-Zn/SAC/Cu-Zn 시편은 불량이 발생하는 평균 낙하수의 감소폭이 보다 완만하게 나타났다. Cu 층에 Zn를 첨가함으로써 솔더와 젖음층 사이에서 형성된 금속간 화합물의 성장 및 미세 공공의 형성이 억제되었고, 솔더 접합부의 과냉을 감소시킴으로써 큰 판상형의 $Ag_3Sn$ 상의 형성을 억제함으로써 Cu-Zn/SAC/Cu-Zn 솔더 접합부에서 Cu/SAC/Cu 솔더 접합부보다 낙하 충격에 대한 저항성 및 신뢰성이 향상되었다. 이는 무연 솔더에 Zn를 첨가하여 낙하 충격 신뢰성을 향상시킨 것과 동일한 효과를 나타냈음을 확인하였다. 본 연구는 한국 과학 기술 재단의 전자패키지 재료 연구 센터(CEPM)와 지식 경제부의 부품 소재 기술 개발 사업의 지원을 받아 수행되었습니다.

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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• v.10 no.3
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• pp.19-27
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• 2003

Surface finishes of PCB laminates are important in the solder joint reliability of flip chip package because the types and thicknesses of intermetallic compound(IMC), and compositions and hardness of solders are affected by them. In this study, effects of surface finishes of PCB on the low cycle fatigue resistance of Sn-based lead-free solders; Sn-3.5Ag, Sn-3.5Ag-XCu(X=0.75, 1.5), Sn-3.5Ag-XBi(X=2.5, 7.5) and Sn-0.7Cu were investigated for the Cu and Au/Ni surface finish treatments. Displacement controlled room temperature lap shear fatigue tests showed that fatigue resistance of Sn-3.5Ag-XCu(X=0.75, 1.5), Sn-3.5Ag and Sn-0.7Cu alloys were more or less the same each other but much better than that of Bi containing alloys regardless of the surface finish layer used. In general, solder joints on the Au/Ni finish showed better fatigue resistance than those on the Cu finish. Cross-sectional fractography revealed microcracks nucleation inside of the interfacial IMC near the solder mask edge, more frequently on the Cu than the Au/Ni surface finish. Macro cracks followed the solder/IMC interface in the Bi containing alloys, while they propagated in the solder matrix in other alloys. It was ascribed to the Bi segregation at the solder/IMC interface and the solid solution hardening effect of Bi in the $\beta-Sn$ matrix.

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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• v.14 no.4
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• pp.27-36
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• 2007

In this study, we investigated the interfacial reactions between various Sn-Ag-Cu(SAC) solder alloys and ENIG(Electroless Ni Immersion Gold) and Cu-OSP(Organic Solderability Preservative) pad finish. In the case of the interfacial reaction between Sb added SAC solder and ENlf thinner P-rich Ni layer was formed at the interface. In the case of the interfacial reaction between Ni added SAC solder and Cu-OSP, the uniform $Cu_6Sn_5$, intermetallic compounds(IMCs) were formed and $Cu_6Sn_5$ grain did not grow after multiple reflows. Thinner $Cu_3Sn$ IMCs were farmed at the interface between $Cu_6Sn_5$ and Cu-OSP after $150^{\circ}C$ thermal aging.

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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• v.19 no.3
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• pp.31-36
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• 2012

In this study, the complex vibration reliability of Sn-3.5Ag and Sn-0.7Cu having a high melting temperature was investigated. For manufacturing of BGA test samples, Sn-3.5Ag and Sn-0.7Cu balls were joined on BGA chips finished by ENIG and the chips were mounted on PCB finished OSP by using reflow process. For measuring of resistance change during complex vibration test, daisy chain was formed in the test board. From the results of resistance change and shear strength change, the reliability of two solder balls was compared and evaluated. During complex vibration for 120 hours, Sn-0.7Cu solder was more stable than Sn-3.5Ag solder in complex vibration test.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2017.05a
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• pp.130-130
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• 2017

Au 합금 도금층은 내마모성 및 내식성이 우수하고 접촉저항이 낮기 때문에, 커넥터, 인쇄회로기판 등과 같은 전자부품의 접속단자부에 널리 적용되고 있다. 각 부품들을 효과적으로 전기적 신호를 통해 연결하기 위해서는 낮은 접촉저항이 요구되며, 이러한 Au 합금 도금층의 접촉저항은 합금 원소의 종류 및 함량, 용융 솔더와 전자부품을 고정시키는 표면실장공정에서 받는 theremal aging의 온도와 시간에 따라 변화된다. 현재 전자부품용 커넥터에 실시되고 있는 금 합금도금은 Au-0.3wt%Co합금, Au-0.2wt%Ni합금도금이 대부분 적용되고 있으며, 높은 순도(금 함유량 99.7wt%이상)로 인하여 금 사용량을 절감하기 어려운 실정이다. Sn은 Au와 높은 고용률을 갖는 합금을 형성하는 장점을 갖고 있기에 금 사용량 절감에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 Sn을 합금 원소로 사용하여 높은 Sn함량을 갖는 Au 합금 도금층을 제작하고, 무연솔더의 융점보다 더 높은 온도인 533K에서 thermal aging을 실시하여, Sn함량별로 thermal aging에 따른 접촉저항과 솔더퍼짐성의 변화를 기존의 Co, Ni합금과 비교 조사하였다. 또한, 표면분석을 통하여 Au-Sn합금 도금층의 접촉저항이 변화하는 요인에 대해서도 고찰하였다. 표면적 $0.2dm^2$의 순수 동 시편 위에 약 $2{\mu}m$두께의 Ni도금을 실시한 후 Sn 함량을 다르게 준비한 도금 용액(Au 6g/L, Sn 1~8g/L)을 사용하여 Au-Sn합금 도금을 실시하였다. Au-Sn합금 도금층은 전류밀도 0.5ASD, 온도 $40^{\circ}C$에서 약 $0.1{\mu}m$두께가 되도록 도금하였으며, 두께는 형광X선 도금두께측정기로 측정하였다. 금 합금 도금층 내의 Sn함량은 Ti시편 위에 도금한 Au-Sn합금층을 왕수에 용해시킨 다음, ICP를 사용하여 분석하였다. Au-Sn합금 도금층의 접촉저항은 준비된 시편을 533K에서 1분 30초, 3분, 6분 간 열처리한 후, 5회 접촉저항을 측정하여 그 평균값으로 하중에 따른 금 합금 도금층의 접촉저항을 비교하였다. 솔더링성은 솔더볼을 합금 표면에 솔더페이스트를 이용하여 붙인 뒤 533K에서 30초간 열처리하고, 열처리 후 솔더볼의 높이 변화를 측정해 열처리 전 솔더볼의 높이에 비해 퍼진정도를 측정하였다. 또한, 도금층 내의 Sn함량에 따라서 접촉저항이 변화하는 요인을 분석하기 위해서 X선 광전자 분광기를 이용하여 도금층 표면의 정량 분석 및 화학적 결합상태를 분석하였다. ICP분석결과 Au-Sn합금층 내의 Sn함량은 도금용액의 조성별로 9~12wt% Sn 합금층이 형성된 것을 알 수 있었고 기존의 Au-Ni, Au-Co 합금층과 비교해 합금함량이 크게 증가된 것을 알 수 있었다. 또한 접촉저항 측정 결과, 기존의 Au-Ni, Au-Co합금층의 접촉저항과 비교했을 때 Au-Sn합금층의 접촉저항이 더 낮은 것을 알 수 있었다. 또한, 솔더퍼짐성 측정 결과 기존의 Au-Ni, Au-Co합금층과 비교해 솔더퍼짐성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 전자부품용 접점재료에 합금함량이 높은 Au-Sn합금층을 적용시키면 더 우수한 커넥터의 성능을 얻을 수 있을 뿐 아니라 경제적으로 큰 절약 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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• v.19 no.2
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• pp.17-28
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• 2012

It is known that thermo-mechanical properties of solder material and molding compound in WB-PBGA packages are considerably affected by not only temperature but elapsed time. In this paper, finite element analysis (FEA) taking material nonlinearity into account was performed for more reliable prediction on deformation behavior of a lead-free WB-PBGA package, and the results were compared with experimental results from moire interferometry. Prior to FEA on the WB-PBGA package, it was carried out for two material layers consisting of molding compound and substrate in terms of temperature and time-dependent viscoelastic effects of molding compound. Reliable deformation analysis for temperature change was then accomplished using viscoplastic properties for solder ball and viscoelastic properties for molding compound, and the analysis was also verified with experimental results. The result showed that the deformation of WB-PBGA packages was strongly dependent on material model of molding compound; thus, temperature and time-dependent viscoelastic behavior must be considered for the molding compound analysis. In addition, viscoelastic properties of B-type molding compound having comparatively high glass transition temperature of $135^{\circ}C$ could be recommended for reliable prediction on deformation of SAC lead-free WB-PBGA packages.

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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• v.17 no.1
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• pp.55-61
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• 2010

An impact bending test method was used to evaluate the reliability for the solder joint of lead-free solder ball. In order to standardize the test method, the four point impact bending test was applied under the conditions of various frequencies and amounts of +/-amplitude respectively. Effects on the results were analysed. The optimum condition for impact bending test achieved in this study was the frequency of 10 Hz, and the amplitude of (+12/-1)~(+15/-1). 3 kinds of surface finishes Cu-OSP (Organic Solderability Preservative), ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), and ENEPIG (Electroless Nickel, Electroless Palladium, Immersion Gold) were used. Fracture surface showed that cracks were initiated and fractured along the intermetallic layer in the case of surface finishes of Cu-OSP and ENIG, while in the case of ENEPIG the cracks were initiated and propagated in the solder region.