• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제18권2호
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• pp.49-55
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• 2011

전자기기에서의 고장 중 대부분은 작동 중 발생하는 열과 충격에 기인한다. 이 열과 충격은 PCB(Printed Board) 부품의 접합부 계면에 균열을 야기 시키고, 이 균열은 금속간 화합물(Intermetallic Compound: IMC)의 형성과 밀접한 관계를 가진다. 본 연구에서는 Sn-Ag-Cu계의 Ag함량을 변화한 Sn-1.0Ag-0.5Cu와 Sn-1.2Ag-0.5Cu 및 Sn-3.0Ag-0.5Cu의 3가지 조성의 솔더로 접합한 소재를 대상으로 1000시간 까지 등온시효(Isothermal Aging) 하였다. 등온시효 동 안 솔더(Solder)의 계면에 발생하는 IMC(Intermetallic Compound) 성장이 관찰되었으며, solder 접합부의 기계적 특성은 굽힘충격 시험법을 이용하여 평가되었다. 그 결과 시효처리 전에는 Ag 함량이 낮은 solder의 굽힘충격 특성이 우수하게 나타났으나, 시효처리 후에는 반대의 결과를 나타내었다. 이 결과는 IMC layer 주변에 생성된 미세한 $Ag_3Sn$ 및 조대한 $Cu_6Sn_5$와 관련되어, 미세한 $Ag_3Sn$이 충격을 완화한 것으로 나타나 이에 따라 굽힘충격 특성에 차이가 나타남을 알 수 있었다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2008년도 하계학술대회 논문집 Vol.9
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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.

• Journal of Welding and Joining
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• 제23권3호
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• pp.61-67
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• 2005

Since lead (Pb)-free solders for electronics have higher melting points than that of eutectic Sn-Pb solder, they need higher soldering temperatures. In order to decrease the soldering temperature we tried to coat Sn-Bi layer on $Sn-3.5\%Ag$ solder by electroplating, which applies the mechanism of transient liquid phase bonding to soldering. During heating Bi will diffuse into the $Sn-3.5\%Ag$ solder and this results in decreasing soldering temperature. As bonding samples, the 1608 capacitor electroplated with Sn, and PCB, its surface was finished with electroless-plated Ni/Au, were selected. The $Sn-95.7\%Bi$ coated Sn-3.5Ag was supplied as a solder between the capacitor and PCB land. The samples were reflowed at $220^{\circ}C$, which was lower than that of normal reflow temperature, $240\~250^{\circ}C$, for the Pb-free. As experimental result, the joint of $Sn-95.7\%Bi$ coated Sn-3.5Ag showed high shear strength. In the as-reflowed state, the shear strength of the coated solder showed 58.8N, whereas those of commercial ones were 37.2N (Sn-37Pb), 31.4N (Sn-3Ag-0.5Cu), and 40.2N (Sn-8Zn-3Bi). After thermal shock of 1000 cycles between $-40^{\circ}C$ and $+125^{\circ}C$, shear strength of the coated solder showed 56.8N, whereas the previous commercial solders were in the range of 32.3N and 45.1N. As the microstructures, in the solder $Ag_3Sn$ intermetallic compound (IMC), and along the bonded interface $Ni_3Sn_4$ IMC were observed.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제25권4호
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• pp.83-88
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• 2018

Cu/Ni/Sn-Ag 미세범프 접합 공정후 Ni/Sn-Ag접합계면에 잔류한 비전도성 필름(non-conductive film, NCF) trap 형성이 전기적 신뢰성에 미치는 영향을 분석하기 위해 온도 $150^{\circ}C$, 전류밀도 $1.5{\times}10^5A/cm^2$ 조건에서 electromigration (EM) 신뢰성 실험을 진행하였다. EM 신뢰성 실험 결과, NCF trap이 거의 없는 Cu/Ni/Sn-Ag 미세범프가 NCF trap이 형성된 미세범프 보다 약 8배 긴 EM 수명을 보여주고 있다. 저항 변화 및 손상계면에 대한 미세구조 분석결과, Ni/Sn-Ag접합계면에 공정 이슈에 의해 형성된 NCF trap이 Ni-Sn 금속간화합물/Sn-Ag솔더계면에 보이드를 유발하여 EM 원자 확산을 방해하기 때문에 빠른 보이드 성장에 의한 전기적 손상이 일찍 발생하는 것으로 판단된다.

• 한국분말재료학회지
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• 제14권5호
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• pp.327-332
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• 2007

In a view point of environment, the advanced electric contact material without environmental load element such as cadmium has to be developed. Extensive studies have been carried out on $Ag-SnO_2$ electric contact material as a substitute of Ag-CdO contact materials. In the present study, powder metallurgy including compaction and sintering is introduced to solve the incomplete oxidation problems in manufacturing process of $Ag-SnO_2$ electrical contact material. The $Ag-SnO_2$ contact material, fabricated in this study, was actually set in an electric switchgear of which working voltage is 462V and current is between 25 and 40A, for the purpose of testing its performance. As a result, it exceeded the existing Ag-CdO contact materials in terminal-temperature ascent and main contact resistance.

• Journal of Welding and Joining
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• 제25권2호
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• pp.82-88
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• 2007

Sn-3.0Ag-0.5Cu lead fee solder was generally utilized in electronics assemblies. But it is insufficient to research about activation energy(Q) that is applying to evaluate the solder joint reliability of environmental friendly electronics assemblies. Therefore this study investigated Q values which are needed to IMC formation and growth of Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu and Sn-40pb/Cu solder joints during aging treatment. We bonded Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-40Pb solders on FR-4 PCB with Cu pad$(t=80{\mu}m)$. After reflow soldering, to observe the IMC formation and growth of the solder joints, test specimens were aged at 70, 150 and $170^{\circ}C$ for 1, 2, 5, 20, 60, 240, 960, 15840, 28800 and 43200 min, respectively. SEM and EDS were utilized to analysis the IMCS. From these results, we measured the total IMC$(Cu_6Sn_5+Cu_3Sn)$ thickness of Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu and Sn-40Pb/Cu interface, and then obtained Q values for the IMC$(Cu_6Sn_5,\;Cu_3Sn)$ growth of the solder joints.

• 대한용접접합학회:학술대회논문집
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• 대한용접접합학회 2007년 추계학술발표대회 개요집
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• pp.235-237
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• 2007

In this paper, fabrication of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder bumping having accurate composition and behavior of intermetallic compounds(IMCs) growth at interface between Sn-Ag-Cu bumps and Cu substrate were studied. The ternary alloy of the Sn-3.0Ag-0.5Cu solder was made by two binary(Sn-Cu, Sn-Ag) electroplating on Cu pad. For the manufacturing of the micro-bumps, photo-lithography and reflow process were carried out. After reflow process, the micro-bumps were aged at $150^{\circ}C$ during 1 hr to 500 hrs to observe behavior of IMCs growth at interface. As a different of Cu contents(0.5 or 2wt%) at Sn-Cu layer, behavior of IMCs was estimated. The interface were observed by FE-SEM and TEM for estimating of their each IMCs volume ratio and crystallographic-structure, respectively. From the results, it was found that the thickness of $Cu_3Sn$ layer formed at Sn-2.0Cu was thinner than the thickness of that layer be formed Sn-0.5Cu. After aging treatment $Cu_3Sn$ was formed at Sn-0.5Cu layer far thinner.

• Journal of Welding and Joining
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• 제29권1호
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• pp.41-45
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• 2011

SnAgCu lead-free solder alloy is considered as the best alternative to eutectic tin-lead solder. However, the detailed material properties of SnAgCu solder are not available in public. Hence, this paper presents an estimation of mechanical properties of SnAgCu lead-free solder. In particular, the weight percent of Ag was varied as 1.0wt%, 2.5wt%, 3.0wt%, and 4.5wt% in order to estimate the effect of Ag in the Sn-xAg-0.5Cu ternary alloy system. For this purpose, four types of SnAgCu bars were first molded by casting and then standard specimens were cut out of molded bars. Micro-Vickers hardness, tensile tests were finally performed to estimate the variations in mechanical properties according to the weight percent of Ag. Test results reveal that the higher the weight percent of Ag is, the higher the hardness, yield strength, and ultimate tensile strength become. More material properties will be further investigated in the future work.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2007년도 하계학술대회 논문집 Vol.8
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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 Welding and Joining
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• 제20권2호
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• pp.77-81
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• 2002

Many kinds of Pb-free solder have been investigated because of the environmental concerns. Sn-Ag-Cu system is well blown as most competitive Pb-free solder. However, since Sn-Ag-Cu system has relatively high melting point compared to Sn-Pb eutectic, it may a limitation, the some application. In this study, Bi and In contained solder of $Sn_3Ag_8Bi_5In$ which has relatively lower melting point, $188~204^{\circ}C$, was investigated. $Sn_3Ag_8Bi_5In$ solder ball of $500\mu\textrm{m}$ diameter was set on the Ni/Cu/Cr-UBM and reflow soldered in the range of $220~240^{\circ}C$ for 5~15s. The maximum shear strength of the solder ball was around 170mN by reflowing at $240^{\circ}C$ for 10s. Intermetallic compound formed on the UBM of Si-wafer was analysed by SEM(scanning electron microscope) and XRD(X-ray diffractometer).