Mechanical Characteristic Evaluation of Sn-Ag-Cu Lead Free Solder Ball Joint on The Pad Geometry

(1)

패드 구조에 따른 Sn-Ag-Cu계 무연 솔더볼 접합부의 기계적 특성평가

장임남¹·박재현²·안용식^1,†

1부경대학교신소재공학부

,

²포항산업과학연구원

Mechanical Characteristic Evaluation of Sn-Ag-Cu Lead Free Solder Ball Joint on The Pad Geometry

Im-Nam Jang¹, Jai-Hyun Park² and Yong-Sik Ahn^1,†

1

Dept. of Materials Sci. & Eng, Pukyong National University, 599-1 Daeyeon 3-dong, Nam-gu, Busan 608-731, Korea

2

Research Institute of Industrial Science & Technology, 32 Hyoja-dong, Nam-gu, Pohang-si, Gyeongsangbuk-do 790-330, Korea (2010

년

5

월

3

일접수

: 2010

년

6

월

8

일게재확정

)

초 록:

PCB

와

BGA

패드의형태가무연솔더접합부의기계적특성에미치는영향을연구하었다

.

현재

BGA/PCB

패드의형태는

NSMD (Non-Solder Mask Defined)

와

SMD (Solder Mask Defined)

두가지구조로형성되어있다

.

본연 구에서는

OSP

도금처리한무연솔더

(Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu)

의패드형태를

NSMD, SMD

로달리하여낙하충 격시험

,

굽힘충격시험

,

고속전단시험을통한솔더접합부의기계적특성을연구하였다

.

낙하충격과굽힘충격시험의경우 패드구조에따른솔더볼접합부의특성수명은동일한경향을나타내었으며

,

솔더접합부의기계적특성은

SMD

가

NSMD

보다우수하였다

.

이이유는

SMD

의경우낙하충격시험과고속전단시험모두

IMC

에서파단이일어난반면에

NSMD

의경우낙하충격시험후의파단면은패턴을감싸고있는랜드상단모서리부분에서파단이일어났기때문인것

으로판단된다

.

전단시험의경우에는

NSMD

접합부에서패드

lift

현상이발생하였다

.

따라서

BGA/PCB

의패드구조의조 합은

SMD/SMD > SMD/NSMD > NSMD/SMD > NSMD/NSMD

순으로기계적특성수명이우수하였다

.

Abstract:

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.

Keywords:

Pad design, Mechanical property, Sn-Ag-Cu solder joint

1. 서 론

휴대용전자제품은카메라

,

^계산기

,

^휴대폰

,

^팜사이즈

PC,

^{스마트카드}

,

^모바일^폰

, PDA

^와^다른^전자^제품^등을

포함하는데

,

^이것은^포켓^속에^편리하게^저장될^수^있고

,

사용자의손안에서사용된다

.

^이러한^휴대용^전자^제품

들은크기와무게가작기때문에사용동안자주떨어뜨 리는경우가많다

.

^이런^낙하^사고는^기기에^기계적인^고

장을일으킬뿐만아니라

,

^내부에^탑재된

PCB

^부품에^전

기적고장을발생시킨다

.

^휴대용^단말기^등은^사용^중의

부주의등에의해떨어뜨리는현상이종종발생하며이러

한현상을재현하기위한신뢰성시험중의하나로완제

품단위가아닌

PCB

^패키지^레벨에서^평가하는^연구가^이

루어지고있으며대표적인시험법이

PCB

^에^각종^부품

(BGA

^반도체^부품^포함

)

^을^장착^후^반복해서^{일정높이에}

서떨어뜨리는시험이있으며이것이솔더접합부기계적 충격특성방법중의하나인낙하시험이다

.

^이러한^낙하^충

격시험에대하여

JEDEC (Joint Electron Device Engineer ing Council)

^의^규격에서^{시험방법을}^규정하고^있다

.

^이러

한낙하충격시험법¹⁾은고비용과장시간이소모된다

.

따라서고속전단시험과굽힘충격시험은낙하충격특 성을간접적으로평가하는시험항목이다

.

^또한^최근^유

†

Corresponding author

E-mail: [email protected]

(2)

2. 실험방법

2.1. 고속전단 시험편 제작 및 실험방법

본연구를위해

BGA

^부품을^보드에^탑재한^후^리플로

우하여시편을제작하였다

.

^시험을^위해^사용된^솔더^볼

의조성은

Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu

^이며

,

^지름은

450

^µ

m

^이다

.

^{표면처리는}

Cu-OSP

^이며^{패드구조로는}

Fig.

1

^에^나타내는^바와^같이

SMD (Fig. 1 (a))

^와

NSMD (Fig.

1(b))

^를 ^{사용하였다}

. PCB

^기판의 ^총 ^두께 ^및 ^크기는

15

^×

15

^×

1 mm

³^로^{동일하였고}^각^시험편의^자세한^규격은

Table 1

^에^{나타내었다}

.

^시험편^제작을^위한^솔더^볼의^리

플로우조건은

RS D 0015

^무연^솔더볼²⁾^에^준하여^예열

구간온도는

150~180

^o

C,

^최대^{피크온도는}

245

^o

C

^에서

4

^초

간유지하여시험을행하였다

. Fig. 2

^에서는^고속전단^시

험을위한시험개략도를나타내고있으며

,

^시험^조건은

JESD22B-117

^및

JESD22B-117A

³⁾^규격을^기초로^하였다

.

본연구에서고속전단시험을위한시험조건은전단속 도는

1000 mm/s,

^{전단높이는}

45

^µ

m,

^{시험하중은}

500 g

^로

하였다

.

^고속전단 ^시험을 ^위해 ^사용한 ^장비는

DAGE-

4000HS

^{모델이었으며}

,

^시험^시^{동일조건에서}

13

^회씩^반

복하여결과의평균값을취하였다

.

2.2. 낙하충격 시험편 제작 및 실험방법

본연구에서사용한무연솔더볼의조성및볼크기와 표면처리는전단시험과동일하며

,

^낙하^{충격시험편의}^기

판의 형태는

BGA/PCB

^의 ^순서로

SMD/SMD, NSMD/

SMD, NSMD/NSMD, SMD/NSMD

^의

4

^종류의^패드형태

를사용하였다

. PCB

^기판의^크기는

JESD22-B111

^에서^규

정하는

132

^×

77

^×

1 mm

³^를^{사용하였으며}

,

^부품으로^사용한

패키지 크기는

15

^×

15

^×

1 mm

³^이며 ^패드 ^{피치간격은}

1.6 mm

^이다

.

^낙하^충격^시험은

JESD22-B111

^에^준하여^시

험하였다

. Fig. 3

^은^낙하충격^시험을^위한^개략도를^나타

낸것이다

.

^테이블^위에^{측정하고자}^하는

PCB

^보드를^장

착후저항측정을위해

15

^개의^채널에^대해^저항^채널

연결후낙하충격시험을행하였다

.

^시험^조건은^가속도

1500G,

^충격유지^시간은

0.5 ms

^로

fail

^의^기준은^초기^저

항대비

100ohm

^이상으로

5

^회^중^연속

3

^회

fail

^에서^첫^번

째

fail

^을

fail

^기준으로^하였다

.

2.3. 굽힘충격 시험편 제작 및 실험방법

본연구에서시험시파단에의한저항증가측정을위 한장비는키슬리

2701

^멀티^메타

(

^사양

:

^{저항측정은}^초당

1000

^개^이상

,

^저항^값^기록수는

1

^초당

20

^개^이상

,

^최대^측

정가능저항은

10

⁸

ohm

^이상

)

^를^{사용하였다}

.

^충격^굽힘^시

Table 1.

Conditions of PCB test board

SR thickness Cu-pad open mask

SMD 15

µ

m 460

µ

m 380

µ

m

NSMD 15

µ

m 380

µ

m 460

µ

m

Fig. 1.

Schematic illustrations of pad types.

Fig. 2.

A schematic illustration of high speed shear test.

Fig. 3.

Drop test apparatus and mounting scheme.

(3)

험은

4

^점^굽힘을^{사용하였으며}

,

^충격^굽힘^시험을^위한

test

지그의형상및치수는

Fig. 4

^에서^{나타내었다}

.

^{충격시험편}

의조건은낙하충격시험편조건과모두동일하나

,

^부품의

탑재형태가차이가난다

.

^굽힘충격^시험편의^경우

PCB

의최외각

6

^개의^부품이^탑재^되지^않은^시험편을^이용

하였으며

,

^이는^충격^지그로^인한^시료의^직접적인^영향

을줄이기위함이다

.

^{시험조건은}^이전의^{굽힘충격연구}⁴⁾

에서 특성수명을 가장 잘 나타내었던 조건인 주파수

10 Hz,

^굽힘^시의^진폭은

+12, -1

^로^하였으며

,

^파형은^스

텝파형으로

4

^점^충격^굽힘^시험을^하였다

. fail

^기준은^낙

하시험과동일하게적용하였다

.

2.4. 솔더 접합부 관찰

고속전단시험과낙하충격시험후의접합부의파단 양상을알아보기위해시편을

cold

^마운팅^후

sand paper

#1500

^까지^연마^후

0.05

^µ

m

^알루미나^분말을^이용하여^표

면연마를하였다

.

^파단면^관찰을^위해

5%

^나이탈

(5 ml

HNO3, 100 ml

^알코올

)

^부식액을^이용하여 ^에칭 ^한 ^후

SEM

^을^이용하여^{관찰하였다}

. 3. 결과 및 고찰

3.1. 고속전단

Fig. 5(a), (b)

^는^조성과^패드^형태에^따른^고속전단^강

도와충격에너지값을나타낸결과이다

.

^조성과^관계없

이

SMD

^가

NSMD

^에^비하여^고속전단^강도가^높게^나타

났으며

,

^조성에^따른^고속전단^강도는^{패드구조와}^관계

없이

Sn-1.2Ag-0.5Cu

^가

Sn-3.0Ag-0.5Cu

^에 ^비하여 ^높게

나타났다

. Ag

^함량이^{감소할수록}^{일반적으로}^{전단강도가}

증가한다는연구결과가보고되었으며^5,6)이러한이유는 솔더내부의

Ag

^함량이^낮을수록^충격이^가해졌을^때^솔

더가쉽게변형되어충격으로인한응력을완화시켜주 기때문이다

.

^솔더^내

Ag

^함량이^낮을수록^솔더가^쉽게

변형되는이유는

Ag

³

Sn

^입자의^석출로^인한^석출경화^효

과가적기때문이라생각된다

.

Fig. 4.

A schematic view of the jig for bending impact test.

Fig. 5.

The results of high speed shear test with various pad types and compositions.

Fig. 6.

Fractured surfaces of solder ball joints with pad types and Sn-3.0Ag-0.5Cu.

(4)

Fig. 6

^은^조성

Sn-3.0Ag-0.5Cu

^일^때의^고속전단^파단면

을

SEM

^으로 ^관찰한 ^것이며

, Fig. 7

^은 ^조성

Sn-1.2Ag- 0.5Cu

^일^때의^고속전단^파단면을^나타내고^있다

. Fig. 6(a)

에서나타내는바와같이

Sn-3.0Ag-0.5Cu

^의^조성의^경우

SMD

^에서

IMC (intermetallic compound)

^층을^따라^파단

이일어나지만

, NSMD

^에서는^패드

lift

^현상이^발생하였

다

(Fig. 6(b)).

^일반적인^{파단현상은}^솔더^볼과

Cu

^패드^사

이의

IMC

^에서^또는^{솔더볼에서}^대부분^발생한다

.

^그러

나

NSMD

^의^경우

solder mask

^가^없기^때문에^패드

lift

^현

상이일어났다고생각된다

. SMD

^는^패드가

SR

^에^의하여

지탱하게되어패드

lift

^현상이^일어나지^않았고

NSMD

보다높은고속전단강도값을나타내었다고생각된다

.

^또

한

Sn-1.2Ag-0.5Cu

^의^경우에도

SMD

^에서는

(Fig. 7(a))

^솔

더볼파단이일어나지만

, NSMD

^의^경우

(Fig. 6(b)) Sn- 3.0Ag-0.5Cu

^의^경우와^{마찬가지로}^패드

lift

^현상이^일어났

다

.

^이러한^이유로

NSMD

^의^경우^모든^조건에서^낮은^접

합부강도를나타내었다

. Fig. 6(a)

^과

Fig. 7(a)

^에서^보면^같

은

SMD

^{조건에서도} ^솔더볼의

Ag

^함량이^다른^두^조성

Sn-3.0Ag-0.5Cu

^와

Sn-1.2Ag-0.5Cu

^는^{파단모드가}^다르게

나타났다

. Sn-1.2Ag-0.5Cu

^는^전단시험^후^패드^윗부분으

로솔더가 모두 남은

ductile mode

^를^가지나

Sn-3.0Ag- 0.5Cu

^는^전단시험^후^솔더가^없는^부분적인

brittle

^파괴

가발생하였다

.

이는

Sn-1.2Ag-0.5Cu

^의 ^경우

Ag

^함량이 ^낮아^취약한

Ag

3

Sn

^입자가^적게^나타났고

,

^따라서^충격이^가해졌을^때

솔더가쉽게변형되어충격으로인한응력을완화시켜주 기때문이다

. Ag

^함량이^높은

Sn-3.0Ag-0.5Cu

^는

Ag

³

Sn

^형

태의취약한금속간화합물이상대적으로많이발생하여

brittle

^파괴가^발생된^것으로^생각된다

.

^{취성파괴의}^경우

금속간화합물층에서파단이일어난것이라볼수있는 데이러한금속간화합물층은취약하여솔더볼부위에 비하여파단이쉽게일어난다

.

^따라서

Sn-3.0Ag-0.5Cu

^가

Sn-1.2Ag-0.5Cu

^에^비하여^낮은^고속전단^강도값을^나타

낸것이라생각된다

.

3.2. 낙하충격

Fig. 8

^은^패드^형태와^조성에^따른^낙하^횟수에^따른^누

적파괴를와이블분포로나타낸결과이다

.

^그림에서^보

면

63.2%

^{특성수명에서}^조성에^관계없이

NSMD

^에^비해

SMD

^의^낙하^특성이^우수하게^나타났다

. Sn-3.0Ag-0.5Cu

솔더볼의경우

BGA/PCB

^의^순서로

SMD/SMD, NSMD/

SMD, SMD/NSMD, NSMD/NSMD

^의^순으로^우수한 ^특

성수명을 나타내었다

. Sn-1.2Ag-0.5Cu

^의 ^경우

NSMD/

SMD, SMD/SMD, NSMD/NSMD, SMD/NSMD

^의^순으로

우수한특성수명을나타내었다

.

^따라서^패드^형태에^따

라조성에관계없이대체적으로

PCB

^기판이

SMD

^인^경

우낙하수명이우수나타났다

.

^이것은

PCB

^가

SMD

^인^경

Fig. 7.

Fractured surfaces of solder ball joints with pad types and Sn-1.2Ag-0.5Cu.

Fig. 8.

The cumulative failure vs. number of drops to failure of

solder joints with different pad types and compositions.

(5)

우

SR

^에 ^따른

BGA

^부품의 ^충격을 ^흡수하여 ^수명이

NSMD

^보다^우수한^것으로^생각된다

.

Fig. 9

^는^낙하충격^시험 ^후

SMD/SMD, NSMD/NSMD

의파단균열을

SEM

^으로^관찰한^것이다

.

^모두

BGA

^부분

에서파단이관찰되었으나

, PCB

^에서는^파단이^관찰되지

않았다

.

^이는^리플로우^공정상^총

2

^회의^{리플로우를}^실시

하는데

BGA

^에^볼을^탑재^후^리플로우^공정을^거치고

,

^리

플로우된

BGA

^부품을

PCB

^에^탑재하여^다시^{리플로우를}

실시한다

.

^즉

PCB

^는

1

^회의 ^{리플로우를}^{실시하였지만}

BGA

^는

2

^회^{리플로우를}^실시한다

.

^리플로우^횟수가^증가

함에따라접합부

IMC layer

^의^두께가^증가하여^상대적

으로취약해짐으로

BGA

^접합부가

PCB

^의^{접합부보다}

취약하게되어

BGA

^{접합부에서}^파단이^먼저^일어난^것

으로판단된다

.

⁷⁾

Fig. 9(a)

^에서^나타내는^바와^같이

Cu

^패

드의솔더부분에서

crack

^이^생성하여

Cu

^층과^솔더볼^사

이의금속간화합물

(Cu

6

Sn

5

-IMC)

^층의^균열에^의해^파단

이일어남을알수있다

. Fig. 9(b)

^에서는

NSMD/NSMD

패드형태의솔더부분에서

crack

^이^생성하여

IMC

^층을

따라조금성장하다가

Cu

^패드^자체에서^파단이^일어난

것을볼수있다

.

이는전단시험후

NSMD

^에서의^패드

lift

^현상이^일어난

것과동일한양상이며

,

^일반적인

IMC

^층을^따라^파단이

일어나는것과는다르게패드부위자체에서파단이일어

난것이다

.

^충격에^의한

SMD, NSMD

^의^{균열진전속도가}

유사하다고가정할때

, NSMD

^의^경우^균열^{진전부위가}

Cu

^패드^{자체이므로}^{균열길이가}

IMC

^층을^따라^일어나는

SMD

^에^비하여^훨씬^짧다

.

따라서

NSMD

^의^경우^초기

fail

^속도가

SMD

^에^비해^상

당히빠르게발생한것으로생각된다

.

^이는^제품의^실장

시

NSMD

^구조는

SMD

^구조보다^솔더^높이가^내려가는

영향을고려하여피로해석을한이전연구자들도같은결 과를보고하였다

.

⁸⁾^또한^{대체적으로}

Sn-1.2Ag-0.5Cu

^가

Sn-3.0Ag-0.5Cu

^보다^낙하^수명이^우수하다

.

이는고속전단시험에서설명하였듯이솔더내

Ag

^함량

이낮을수록충격이가해졌을때솔더가쉽게변형되어 충격으로인한응력을완화시켜주기때문이며

,

^반대로

솔더내

Ag

^함량이^높을수록

Ag

3

Sn

^입자의^석출로^인한

석출경화효과가증가하여취성적이게된다

.

^{상대적으로}

Ag

^함량이^낮은

Sn-1.2Ag-0.5Cu

^는^솔더^내

Ag

3

Sn

^석출입

자가적으므로

Sn-3.0Ag-0.5Cu

^보다^접합부가^{연성적으로}

거동하므로낙하에서오는충격을솔더볼에서흡수하여 접합부충격강도를증가시킨것으로생각된다

.

3.3. 굽힘충격

Fig. 10

^에서^패드^형태와^조성에^따른^굽힘충격^횟수에

따른누적파괴를와이블분포로나타낸결과

Sn-3.0Ag- 0.5Cu (Fig. 10(a))

^의^경우^낙하충격^시험과^대비하여^값

의산포의차이는있으나

63.2%

^특성수명^결과^값으로만

판단하였을때

63.2%

^{특성수명에서}^조성

Sn-3.0Ag-0.5Cu

와

Sn-1.2Ag-0.5Cu

^두 ^조성 ^모두

BGA/PCB

^의 ^순서로

SMD/SMD, NSMD/SMD, SMD/NSMD, NSMD/NSMD

^의

순으로우수한특성수명을나타내었다

.

^조성

Sn-3.0Ag-

Fig. 9.

SEM images of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joint with two kinds of pad types after drop test.

(6)

0.5Cu

^는^낙하충격^특성과^동일한^경향을^{나타내었으며}

, Sn-1.2Ag-0.5Cu

^는

BGA

^{패드구조에}^따라^조금^다른^경향

을나타냈다

.

^이는^낙하충격^시험^결과에서

PCB

^기판의

패드구조가

SMD

^인

SMD/SMD

^와

NSMD/SMD,

^또한

NSMD

^인

SMD/NSMD

^와

NSMD/NSMD

^가

PCB

^패드구조

의동일유무에따라비슷한수명을보였으므로이에따 른미량의결과차이를보인것으로생각된다

.

또한낙하충격시험에따른수명과비교해보았을때 전체적으로비슷한 수명을나타내는것으로판단되나

Fig. 10(a)

^의^특성수명^{그래프에서}^볼^때

SMD/SMD

^경우에

는결과의분포가넓게나타났으나

NSMD/NSMD

^경우^수

명이시험

fail

^횟수에^관계없이^비슷하게^나타났다

.

또한

Sn-1.2Ag-0.5Cu

^의

NSMD/NSMD

^경우에는^결과의

분포가넓게나타났으나

SMD/SMD

^경우^이와는^반대로

수명이시험

fail

^횟수에^관계없이^비슷하게^나타났다

.

^따

라서굽힘충격시험은낙하충격시험과대비하여값의산

포의차이는있으나

63.2%

^특성수명^결과^값으로만^판단

하였을때낙하충격시험결과와동일하게패드형태에따

라조성에관계없이

PCB

^기판이

SMD

^인^경우^낙하^수명

이좋게나타났다

.

^따라서^{솔더접합부의}^{접합강도의}^측

정을위해서고비용과장시간이소요되는낙하충격시험 을대신하여간단한굽힘충격시험을이용하여비교적빠

원인으로판단되었다

.

2.

^낙하^충격시험^결과

PCB

^에^탑재되는

BGA

^의^패드

구조에따른수명차이는크지않았으나

, PCB

^의^패드^구

조가

SMD

^일^경우

, NSMD

^일^경우^보다^낙하충격^특성이

더 우수하였다

.

^이는 ^파단면의 ^충격에 ^의한 ^균열이

NSMD

^의^경우^균열^{진전부위가}

Cu

^패드^{자체이므로}^균

열길이가

IMC

^층을^따라^일어나는

SMD

^에^비하여^훨씬

짧으므로

NSMD

^의^초기

fail

^속도가

SMD

^에^비해^상당히

빠르게발생한것으로판단되었다

.

3.

^조성에^따른^기계적^특성을^비교한^결과

Ag

^함량이

적은

Sn-1.2Ag-0.5Cu

^솔더볼이

Sn-3.0Ag-0.5Cu

^보다^특성

수명이우수하였다

.

^이는 ^솔더^내

Ag

^함량이^높을수록

Ag

3

Sn

^입자의^석출로^인한^석출경화^효과가^증가하여^취

성적으로되고

, Ag

^함량이 ^낮은

Sn-1.2Ag-0.5Cu

^는^솔더

내

Ag

3

Sn

^{석출입자가}^적으므로^{연성적이므로}^낙하에서

오는충격을흡수하여접합부충격강도를증가시킨것으 로생각된다

.

4.

^각^패드^구조^및^조성에서^행한^전단시험^및^굽힘^충

격시험은낙하충격시험과동일한경향의특성수명을나 타내었다

.

^따라서^고비용^장시간이^소요되는^낙하충격^시

험을대체하여저비용의전단시험및굽힘충격시험법에 의해서도솔더접합부의기계적특성을평가하는데에는 문제가없는것으로판단된다

.

감사의 글

이논문은

2009

^학년도^{부경대학교의}^지원을^받아^수행

된연구임

(PK-2009-47).

참고문헌

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5. J. S. Jeong, Y. S. Lee, K. H. Shin, S. K. Cheong, D. Y. Jang,

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7. I. N. Jang, J. H. Park and Y. S. Ahn, “Effect of Reflow Num- ber and Surface Finish on the High Speed Shear Properties of Sn-Ag-Cu Lead-Free Solder Bump”, J. Microelectronics Packag. Soc., 16(3), 11 (2009).