Creep Deformation Behaviors of Tin Pest Resistant Solder Alloys

Tin Pest 방지 솔더합금의 크리프 특성

Worldwide movement for prohibition of Pb usage drives imminent implementation of Pb-free solders in microelectronic packaging industry. Reliability information of Pb-free solders has not been completely constructed yet. One of the potential reliability concerns of Pb-free solders is allotropic transformation of Sn known as tin pest. Volume increase during the formation of tin pest could deteriorate the reliability of solder joints. It was also reported that the addition of soluble elements (i.e. Pb, Bi, and Sb) into Sn can effectively suppress the tin pest. However, the mechanical properties of the tin pest resistant alloys have not been studied in detail. In this study, lap shear creep test was conducted with Sn and Sn-0.7Cu based solder alloys doped with minor amount of Bi or Sb. Shear strain rates of the alloy were generally higher than those of Sn-3.5Ag based alloys. Rupture strains and corresponding Monkman- Grant products were largest for Sn-0.5Bi alloy and smallest for Sn-0.7Cu-0.5Sb alloy. Rupture surface Sn-0.5Bi alloy showed highly elongated $\beta$-Sn globules necked to rupture by shear stresses, while elongation of $\beta$-Sn globules of Sn-0.7Cu-0.5Sb alloy was relatively smaller.

전세계 전자패키지 산업에서 납(Pb) 사용에 대한 환경규제 움직임이 본격화되고 있어 새로운 무연솔더의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 게다가 무연솔더의 신뢰성에 대한정보가 아직까지 많이 부족한 실정이다 무연솔더의 신뢰성에 영향을 줄수 있는 것 중의 하나가 Sn pest라고 알려진 동소체 변태이다. Sn pest가 형성될 때 동반되는 부피의 증가는 솔더 조인트의 신뢰성을 저하시킨다. 이미 보고된 바에 따르면, Sn 고용도가 있는 원소(Pb, Bi, Sb)들을 첨가시킬 경우 Sn pest가 효과적으로 억제된다. 그러나 Sn pest를 억제하는 합금에 대한 기계적인 특성에 연구가 거의 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 Sn과 Sn-0.7Cu를 기반으로 하여 Bi, Sb을 첨가한 솔더 합금을 사용하여 lap shear크리프 실험을 하였다. 본 연구에서 사용한 합금들의 변형율은 전체적으로 Sn-3.5Ag를 기반으로 하는 합금들보다 높았다. 파괴까지 이르는 변형량은 Sn-0.5Bi가 가장 크고 Sn-0.7Cu-0.5Sb 합금이 가장 작았는데 이러한 경향은 Sn-0.5Bi 합금의 파단면에 Sn globules이 길게 늘어나 있고 Sn-0.7Cu-0.5Sb 합금에서는 더 짧은 Sn globules 이 관찰되는 결과와 일치하였다.