• Korean Journal of Materials Research
• /
• v.8 no.11
• /
• pp.1011-1019
• /
• 1998

This work designed Sn-5%Pb-1.5%Ag-x%In solder alloy to develop the solder alloy with low Pb content. This solder alloy doesn't cause environmental pollution. and this study reviewed the probability of replacement of Sn-37%Pb solder as evaluation of melting range, wettability. microstructure, microhardne'ss, tensile strength, drossability of this new solder alloys. The level of international regulation in dissolution amount of Pb ion was 3ppm. But dissolution amount of Pb ion in Sn-5%Pb solder alloy confirmed not to threat the global environmental is 0.46ppm. The melting range of this solder alloy was $183-192^{\circ}C$. Also the range of solidification was very narrow within $5^{\circ}C$. The wettability was similar to Sn-37%Pb solder, and the effect of amount of In addition of wettability couldn't be founded. The probability of replacement in the melting range and wettability is very high. And microhardness of this solder alloy was 1.5 times of conventional type solder. Tensile strength of new solder alloys was a little high than that of conventional type solder. With increasing amount of In% addition, tensile strength was increased, but elongation was decreased. The solder alloy of l%In addition revealed AgSn and Pb on dendrite microstructure boundary, and $Ag_3Sn$, $Ag_3In$ and Pb were revealed on it at the solder alloy of 3% In addition. The drossability was superior to Sn-37%Pb solder alloy and the solder alloys of 2% In addition was not generated for 3hrs.

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
• /
• v.9 no.4
• /
• pp.1-9
• /
• 2002

The metallurgical reaction properties between the pad consisted of 0.5 $\mu\textrm{m}$Au/5 $\mu\textrm{m}$Ni/Cu layers on a conventional ball grid array (BGA) substrate and In-15 (wt.%)Pb-5Ag solder ball were characterized during the reflow process and solid aging. During the reflow process of 1 to 5 minutes, it was observed that thin $AuIn_2$ or Ni-In intermetallic layer was formed at the interface of solder/pad. The dissolution rate of the Au layer into the molten solder was about $2\times 10^{-3}$ $\mu\textrm{m}$/sec which is remarkably low in comparison with a eutectic Sn-37Pb solder. After solid aging treatment for 500 hrs at $130^{\circ}C$, the thickness of $Ni_{28}In_{72}$ intermetallic layer was increased to about 3 $\mu\textrm{m}$ in all the conditions nevertheless the initial reflow time was different. These result show that In atoms in the solder alloy were diffused through the $AuIn_2$ phase to react with underlaying Ni layer during solid aging treatment. From the microstructural observation and shear tests, the reaction properties between In-15Pb-5Ag alloy and Au/Ni surface finish were analyzed not to trigger Au-embrittlement in the solder joints unlike Sn-37Pb composition.

• Proceedings of the International Microelectronics And Packaging Society Conference
• /
• 2002.05a
• /
• pp.183-188
• /
• 2002

With the contact pad consisted of $0.5{\mu}{\textrm}{m}$ $Au/5{\mu}{\textrm}{m}$ Ni/Cu layers on a conventional ball grid array(BGA) substrate, metallurgical reaction properties between the pad and In-15(wt.%)Pb-5Ag solder alloy were studied after reflow and solid aging. In as-reflow condition, thin AuIn$_2$or Ni$_{28}$In$_{72}$ intermetallic layer was formed at the solder/pad interface according to reflow time. Dissolution of the Au layer into the molten solder was remarkably limited in comparison with eutectic Sn-37Pb alloy. After solid aging of 300 hrs, thickness of In-Ni layer increased to about $2{\mu}{\textrm}{m}$ in the both as-reflow case. It was observed that In atoms diffuse through the AuIn$_2$phase to react with underlaying Ni layer. The metallurgical reaction properties between In-l5Pb-7Ag alloy and Au/Ni surface finish were analysed to result in suppression of Au-embrittlement in the solder joints.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
• /
• v.39 no.5
• /
• pp.467-471
• /
• 2015

Thus far, solders used in electronics remain lead-based. Pb-free solutions in electronic components and systems are receiving increased attention in the semiconductor and electronics industries. Pb-free materials currently in used are Sn-37Pb, Sn-4Ag and Sn-4Ag-0.5Cu/Ni plate joints. In this study, solder alloys were used at high temperatures for artificial aging processing that was performed at $150^{\circ}C$ for 0hr, 100hr, 200hr, 400hr, 600hr and 1000hr. The SP test was conducted at $30^{\circ}C$ and $50^{\circ}C$. As a result, the maximum shear strength of all the specimens decreased with the increase in artificial aging time and temperature of the SP test. In addition, Pb-free solders showed higher total fracture energy compared with Sn-37Pb at high temperatures. The mechanical properties of Sn-4Ag-0.5Cu solder/Ni plate joints remained in excellent conditions in electronic parking systems at high temperatures.

• Proceedings of the KWS Conference
• /
• 2002.10a
• /
• pp.481-486
• /
• 2002

We have investigated the effects of plating materials for Cu lead (Sn-lOPb, AwPdJNi, Sn-3.5Ag, Sn-3Bi and Sn-0.7Cu) on properties of QFP joints using a Sn-8Zn-3Bi solder. The results were compared with the joints using Sn-3. 5Ag-0. 7Cu and Sn-37Pb solders. As a result, the joints with the Sn-3.5Ag, Sn-3Bi and Sn-0.7Cu plated Cu lead had the reliability comparable to those of the Sn-3.5Ag-0.7Cu and Sn-37Pb soldered joints with respect to the joint strength after the high temperature holding tests at 348K to 423k. In particular, the joint with the Sn-3.5Ag plated Cu lead had the best reliability. This is caused by the low growth rate of a Cu-Sn interfacial reaction layer that degrades the joint strength of the soldered joints. Consequently, the Sn-3.5Ag plating was found to be most feasible plating for the Sn-8Zn-3Bi soldered joint.

• Resources Recycling
• /
• v.31 no.3
• /
• pp.61-72
• /
• 2022

We investigated the electrochemical behavior of Sn (93.0 %)-Ag (4.06 %)-Cu (0.89 %) during electrolysis of Pb-free solder waste to recover tin and silver. A thin strip of the solder waste produced by high-temperature melting and casting was used as a working electrode to perform electrochemical analysis. During anodic polarization, the current peak of an active region decreased with an increase in the concentration of sulfuric acid used as an electrolyte. This resulted in the electro-dissolution of the working electrode in the electrolyte (1.0 molL^-1 sulfuric acid) for a constant current study. The study revealed that the thickening of an anode slime layer at the working surface continuously increased the electrode potential of the working electrode. At 10 mAcm^-2, the dissolution reaction continued for 25 h. By contrast, at 50 mAcm^-2, a sharp increase in the electrode potential stopped the dissolution in 2.5 h. During dissolution, silver enrichment in the anode slime reached 94.3% in the 1 molL^-1 sulfuric acid electrolyte containing a 0.3 molL^-1 chlorine ion, which was 12.7% higher than that without chlorine addition. Moreover, the chlorine enhanced the stability of the dissolved tin ions in the electrolyte as well as the current efficiency of tin electro-deposition at the counter electrode.

• Resources Recycling
• /
• v.24 no.2
• /
• pp.62-68
• /
• 2015

The high pure tin production was conducted from crude-tin containing waste solder by electro-refining process. The electro-refining process maintained at 0.2V produced tin with purity of 99.98%, whereas a little increase of voltage to 0.3 V resulted tin purity of 99.92%. The high pure tin of 3N in the present process was produced by fixing the voltage at 0.3V. Considering the high pure tin production, the current density was maintained within $100-120A/m^2$ with current efficiency of 94%. Addition of sulfuric acid of 20 ~ 25 g/L to the electrolyte solution was performed in order to keep Pb (lead) concentration below 100 mg/L in the final tin product. The anode slime generated during electro refining process was analyzed by X-ray diffraction (XRD) study to understand the phases of impurities in it. It detected the presence of Cu and Ag in the slime as in the form of $Cu_6Sn_5$, $Ag_3Sn$, whereas Pb occurred as $PbSO_4$ compound.

• Journal of the Microelectronics and Packaging Society
• /
• v.12 no.1 s.34
• /
• pp.35-40
• /
• 2005

The oxidation of pure Sn and Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag, Sn-lZn, and Sn-9Zn alloys at $150^{\circ}C$ was investigated. Both the chemical nature and the amount of oxides were characterized using electrochemical reduction analysis by measuring the electrolytic reduction potential and total transferred electrical charges. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was also conducted to support the results of reduction analysis. The effect of Cu, Ag and Zn addition on surface oxidation of Sn alloys is reported. For Sn, Sn-0.7Cu and Sn-3.5Ag, SnO grew first and then the mixture of SnO and $SnO_2$ was found. $SnO_2$ grew predominantly for a long-time aging. For Zn containing Sn alloys, both ZnO and $SnO_2$ were formed. Zn promotes the formation of $SnO_2$. Sn oxide growth rate of Pb-free solder alloys was also discussed in terms of alloying elements.

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

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