• 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.

• Proceedings of the KWS Conference
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• 2009.11a
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• pp.72-72
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• 2009

전자부품의 내부접속 및 파워반도체의 다이본딩과 같은 1차실장에는 고온환경에서의 사용과 2차실장에서의 재용융방지를 위해 높은 액상선온도 및 고상선온도를 필요로 하여, Pb-5wt%Sn, Pb-2.5wt%Ag로 대표되는 납성분 85%이상의 고온솔더가 널리 사용되고 있다. 생태계와 인체에 대한 납의 유해성이 보고된 이래, 무연솔더에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔으나, Sn-Ag-Cu계로 대표되는 Sn계 합금으로 대체 중인 중온용 솔더와는 달리, 고온용 솔더에 대해서는 대체합금에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 대체재의 부재로 인해 기존의 납을 다량함유한 솔더로 1차실장이 지속됨으로서, 2차실장의 무연화에도 불구하고 전자부품 및 기기의 재활용에 큰 어려움을 겪고 있다. 지금까지 고온용 무연솔더로서는 융점에 근거해 Au-(Sn, Ge, Si)계, Bi-Ag계, Zn-(Al, Sn)계의 극히 제한된 합금계만이 보고되어 왔다. Au계 솔더는 현재 플럭스를 사용하지 않는 광학, 디스플레이 분야 등 고부가가치 공정에 사용되고 있으나, 합금가격이 매우 비싸며 가공성이 나빠 대체재료로서는 적합하지 않다. Bi-Ag계 솔더 또한 취성합금으로 와이어 및 박판으로 가공하는데 어려움이 크며, 솔더로서 중요한 특성중 하나인 전기전도도 및 열전도도가 나쁜 편이다. 이에 비해, Zn계 합금은 비교적 낮은 합금가격, 적절한 가공성과 뛰어난 인장강도, 우수한 전기전도도 및 열전도도를 지녀, 고온용솔더 대체재료의 유력한 후보로 생각된다.이전 연구에서, 필자의 연구그룹은 Zn-Sn계 합금을 고온용 무연솔더로서 제안한 바 있다. Zn-Sn계 합금은 충분히 높은 융점과 함께, 금속간화합물이 없는 미세조직, 우수한 기계적 특성, 높은 전기전도도 및 열전도도 등의 장점을 나타내었다. 본 연구에서는 기초합금특성상 고온솔더로서 다양한 장점을 지닌 Zn-30wt%Sn합금을 고온용 솔더의 대표적인 적용의 하나인 다이본딩에 적용하여, 접합부의 강도 및 미세조직, 열피로 신뢰성에 대해 분석을 함으로서 실제 공정에의 적용가능성에 대해 검토하였다. Zn-30wt%Sn을 이용해 Au/TiN(Titanium nitride) 코팅한 Si다이를 AlN-DBC(aluminum nitride-direct bonded copper)기판에 접합한 결과, 양측에 완전히 젖은 기공이 없는 양호한 다이접합부를 얻었으며, 솔더내부에는 금속간화합물을 형성하지 않았다. Si다이와의 계면에는 TiN만이 존재하였으며, Cu와의 계면에는 Cu로부터 $Cu_5Zn_8,\;CuZn_5$의 반응층을 형성하였다. 온도사이클시험을 통한 열피로특성평가에서, Zn-30wt%Sn를 이용한 다이접합부는 1500사이클 지점에서 Cu와 Cu-Zn금속간화합물의 사이에서 피로균열이 형성되며, 접합강도가 크게 감소하였다. 열피로특성 향상을 위해 Cu표면에 TiN코팅을 하여 Zn-30wt%Sn 솔더로 다이접합한 결과, Si다이와 기판 양측에 TiN만으로 구성된 계면을 형성하였으며, TEM관찰을 통해 Zn-30wt%Sn과 극히 미세한 접합계면이 형성하고 있음을 확인하였다. Zn-wt%30Sn솔더와 TiN층의 병용으로 2000사이클까지 미세조직의 변화 및 강도저하가 없는 극히 안정된 고신뢰성의 다이접합부를 얻을 수가 있었다.

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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• v.10 no.3
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• pp.29-35
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• 2003

The Sn-based lead-free solders with varying microstructure were prepared by changing the cooling rate from the melt. Bulky as-cast SnAg, SnAgCu, and SnCu, alloys were cold rolled and thermally stabilized before the creep tests so that there would be very small amount of microstructural change during creep (TS), and thin specimens were water quenched from the melt (WQ) to simulate microstructures of the as-reflowed solders in flip chips. Cooling rates of the WQ specimens were 140∼150 K/sec, and the resultant $\beta-Sn$ globule size was 5∼10 times smaller than that of the TS specimens. Subsequent creep tests showed that the minimum strain rate of TS specimens was about $10_2$ times higher than that of the WQ specimens. Fractographic analyses showed that creep rupture of the TS-SnAgCu specimens occurred by the nucleation of voids on the $Ag_3Sn$ Sn or $Cu_6Sn_5$ particles in the matrix, their subsequent growth by the power-law creep, and inter-linkage of microcracks to form macrocracks which led to the fast failure. On the other hand, no creep voids were found in the WQ specimens due to the mode III shear rupture coming from the thin specimens geometry.

• Journal of Korea Foundry Society
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• v.18 no.6
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• pp.570-577
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• 1998

An investigation has been conducted to describe solidification characteristics in Sn-Zn binary system and Sn-Zn-Ag ternary system added by Ag produced by the continuous casting process using heated mold as a basic study for developing Pb-free solder materials. To obtain the continuous casting rods with mirror surface and near net shape at higher casting speed, water flow rates must be increased and mold temperature must be lowered. However, surface tearing in the casting rods occured at lower continuous casting speed while break out occured at higher continuous casting speed even if optimum conditions such as water flow rate and heated mold temperature are determined. Primary ${\alpha}Sn$ and eutectic structure in unidirectioally solidified Sn-Zn alloys were finer with increased casting speed. But, directionality may not be expected for primary Zn in hypereutectic Sn-Zn alloy. It was found that the addition of $0.2{\sim}0.8%$ Ag promoted the growth of primary ${\alpha}Sn$ dendrites. The changes of tensile strength and elongation in Sn-Zn binary alloys were not observed while the increase of tensile strength and the decrease of elongation in Sn-Zn-Ag ternary alloys were observed with increased casting speed.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2007.06a
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• pp.18-18
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• 2007

지난 수년 동안 Sn-3.0Ag-0.5Cu 합금은 전자산업의 표준 무연솔더 조성으로 전자제품의 제작에 사용되어져 왔으며, 그 신뢰성도 충분히 검증되어 대표적인 무연 솔더 조성으로의 입지를 굳혀왔다. 그러나 전자제품의 mobile화에 따른 내충격 신뢰성에 대한 요구와 최근의 급격한 Ag 가격의 상승은 Ag 함량의 축소에 의한 원가절감을 요청하게 되었으며, 이에 따라 소량의 Ag를 함유하는 솔더 조성 개발에 대한 연구가 산업 현장을 중심으로 절실히 요청되고 있다. Sn-Ag-Cu의 3원계 함긍에서 Ag는 합금의 융점을 낮추고, 강도와 같은 합금의 기계적 특성을 증가시키는 한편, 모재에 대한 합금의 젖음성을 향상시키는데 필수적인 원소로 인식되고 있다. 따라서 Sn-Ag-Cu의 3원계 함금에서 Ag의 함량을 감소시키게 되면, 합금액 액상선 온도와 고상선 온도가 벌어져 pasty range(또는 mush zone)가 증가하게 되고, wettability도 감소하게 되어 솔더 합금으로서의 요구 특성을 많이 상실하게 된다. 또한 Ag 함량을 감소시키게 되면 합금의 elongation이 향상되면서 내 impact 수명이 향상되는 효과를 볼 수 있으나, 합금의 creep 특성 및 기계적인 강도는 감소하면서 열싸이클링 수명은 감소하는 경향을 나타내게 된다. 따라서 솔더 합금의 내 impact 수명과 열싸이클링 수명을 동시에 만족시키지 위해서는 Ag 함량을 최적화하기 위한 고려가 필요하며, 합금원소에 대한 연구가 요청된다고 하겠다. 한편 Ag의 함량을 3wt.% 이상으로 첨가할 경우에도 비교적 느린 응고 속도에서는 조대한 판상의 $Ag_3Sn$ 상을 형성하는 경향이 있어 외관 물량을 야기 시킬 가능성이 매우 커지는 현상도 보고되고 있다. 따라서 Ag의 첨가량을 최적화 하면서 솔더 재료로서의 특성을 계속적으로 유지하기 위해서는 제 4 원소의 함유가 필수적이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 Sn-Ag-Cu계에 첨부하는 제 4원소로서 In을 선택하였다. 비록 In은 Ag보다 고가이기 때문에 산업적인 적용을 위한 솔더 합금 원소로는 거의 각광받지 못했으나, 본 연구의 결과로는 In은 매우 소량 첨가할 경우에도 Sn-Ag-Cu계 합금, 특히 소량의 Ag를 함유하는 Sn-Ag-Cu계 합금의 wettabilty와 기계적 특성 향상에 매우 효과적임을 알 수 있었다. 결론적으로 본 연구를 통해 구현된 Sn-Ag-Cu-In계 최적 솔더 조성의 경우 Sn-3.0Ag-0.5Cu의 표준 조성에 비하여 약 18%의 원자재 가격 절감을 도모할 수 있을 것으로 예상되는 한편. Sn-3.0Ag-0.5Cu에 유사하거나 우수한 wettability 특성을 나타내었고. Sn-1.0Ag-0.5Cu 또는 Sn-l.2Ag-0.5Cu-0.05Ni 조성보다는 월등히 우수한 wettability 특성을 나타내었다. 더구나 Sn-Ag-Cu-In계 최적 솔더 조성은 합금의 강도 저하는 최소화 시키면서 합금의 elongation은 극적으로 향상시켜 합금의 toughness 값이 매우 우수한 특성을 가짐을 알 수 있었다. 이렇게 우수한 toughness 값은 솔더 조인트의 대표적 신뢰성 요구 특성인 열싸이클링 수명과 내 impact 수명을 동시에 향상시킬 수 있을 것으로 예상된다. 요컨대 본 연구를 통해 구현된 Sn-Ag-Cu-In계 솔더 조성은 최적 솔더 조성에서 요구되는 4가지 인자, 즉, 저렴한 원재료 가격, 우수한 wettability 특성, 합금 자체의 높은 toughness, 안정하고 낮은 성장 속도의 계면 반응층 생성을 모두 만족시키는 특징을 가짐으로서 기존 무연솔더 조성의 새로운 대안으로 자리 잡을 것으로 기대된다.

• Journal of the Semiconductor & Display Technology
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• v.5 no.2 s.15
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• pp.33-36
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• 2006

Many issues arose to use the Pb-free solder as adhesive materials in MEMS ICs and packaging. Then this study for easy and simple sealing method using adhesive materials was carried out to maintain hermetic characteristic in MEMS Package. In this study, Hermetic characteristic using negative PR (XP SU-8 3050 NO-2) as adhesive at the interface of Si test coupon/glass substrate and Si test coupon/LTCC substrate was examined. For experiment, the dispenser pressure was 4 MPa and the $200\;{\mu}m{\Phi}$ syringe nozzle was used. 3.0 mm/sec as speed of dispensing and 0.13 mm as the gap between Si test coupon and nozzle was selected to machine condition. 1 min at $65^{\circ}C$ and 15 min at $95^{\circ}C$ as Soft bake, $200\;mj/cm^2$ expose in 365 nm wavelength as UV expose, 1 min at $65^{\circ}C$ and 6 min at $95^{\circ}C$ as Post expose bake, 60 min at $150^{\circ}C$ as hard bake were selected to activation condition of negative PR. Hermetic sealing was achieved at the Si test coupon/ glass substrate and Si test coupon/LTCC substrate. The leak rate of Si test coupon/glass substrate was $5.9{\times}10^{-8}mbar-l/sec$, and there was no effect by adhesive method. The leak rate of Si test coupon/LTCC substrate was $4.9{\times}10^{-8}mbar-l/sec$, and there was no effect by dispensing cycle. Better leak rate value could be achieved to use modified substrate which prevent PR flow, to increase UV expose energy and to use system that controls gap automatically with vision.

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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• v.11 no.3 s.32
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• pp.23-30
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• 2004

Interfacial reaction of Pb-free $Sn0.7wt{\%}Cu$ and $Sn3.8wt{\%}Ag0.7wt{\%}Cu$ solders and Pt during aging has been investigated. After the $Sn3.8wt{\%}Ag0.7wt{\%}Cu/Pt$ specimens were reflowed at $250^{\circ}C$ for 30s and the $Sn0.7wt{\%}Cu/Pt$ specimens were reflowed at $260^{\circ}C$, the specimens were aged at $125^{\circ}C,\;150^{\circ}C$ and $170^{\circ}C$ for 25-121 hours. The intermetallic thitkness and morphology change during aging were characterized using SEM, EDS and XRD. $PtSn_4$ and $PtSn_2$ were observed in the solder/pt interface and the intermetallic formation was governed by diffusion. The activation energy of intermetallic formation was 145.3 kJ/mol for$Sn3.8wt{\%}Ag0.7wt{\%}Cu/Pt$ specimens for $Sn0.7wt{\%}Cu/Pt$ specimens from the measurement of the intermetallic thickness with aging temperature and time.

• 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.