In this study, the numerical prediction of the thermal fatigue lie? of a $\mu$BGA (Micro Ball Grid Array) solder joint was focused. Numerical method was performed using the three-dimensional finite element analysis for various solder alloys such as Sn-37%Pb, Sn-3.5%Ag, Sn-3.5%Ag-0.7%Cu and Sn-3.5%Ag-3%In-0.5%Bi during a given thermal cycling. Strain values obtained by the result of mechanical fatigue tests for solder alloys, were used to predict the solder joint fatigue life using the Coffin-Manson equation. The numerical results showed that Sn-3.5%Ag with the 50-degree ball shape geometry had the longest thermal fatigue life in low cycle fatigue. A practical correlation for the prediction of the thermal fatigue life was also suggested by using the dimensionless variable γ. Additionally Sn-3.5Ag-0.75Cu and Sn-2.0Ag-0.5Cu-2.0Bi were applied to 6$\times$8$\mu$BGA obtained from the 63Sn-37Pb Solder. This 6$\times$8$\mu$BGA were tested at different aging conditions at 130$\^{C}$, 150$\^{C}$, 170$\^{C}$ for 300, 600 and 900 hours. Thickness of the intermetallic compound layer was measured thor each condition and the activation energy thor their growth was computed. The fracture surfaces were analyzed using SEM (Scanning Electron Microscope) with EDS ( Energy Dispersive Spectroscopy).
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.20
no.3
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pp.53-57
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2013
Although the lowering of Ag content in Sn-3.0Ag-0.5Cu is known to improve the mechanical shock reliability of the solder joint, it is also known to be detrimental to the solderbility. In this study, the quaternary alloying effect of In and the minor alloying effects of Mn and Pd on the solderability, thermal cycling and mechanical shock reliabilities of the low Ag content Sn-1.2Ag-0.7Cu solder were investigated using board-level BGA packages. The solderability of Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In was proved to be comparable to that of Sn-3.0Ag-0.5Cu but its thermal cycling reliability was inferior to that of Sn-3.0Ag-0.5Cu. While the 0.03 wt% Pd addition to the Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In decreased the solderability and reliabilities of solder joint, the 0.1 wt% Mn addition was proved to be beneficial especially for the mechanical shock reliability compared to those of Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-1.0Ag-0.5Cu compositions. It was considered to be due that the Mn addition decreased the Young's modulus of low Ag content Pb-free solders.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.8
no.3
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pp.37-42
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2001
The concerns of the toxicity and health hazard of lead in solders have demanded the research to find suitable lead-free solder alloys. It was discussed that effect of the intermetallic formation and structure on the reliability of solder joints. In this study, lead-free solder alloys with compositions of Sn/3.5Ag/0.75Cu, Sn/2.0Ag/0.5Cu/2.0Bi were applied to the 48 $\mu$BGA packages. Also, the lead-free solder alloys compared with eutectic Sn/37Pb solder using shear test under various aging temperature. Common $\mu$BGA with solder components was aged at $130^{\circ}C$, $150^{\circ}C$ and $170^{\circ}C$. And the each temperature applied to 300, 600 and 900 hours. The thickness of the intermetallics was measured for each condition and the activation energy for their growth was computed. The fracture surfaces were analyzed using SEM (Scanning Electron Microscope) with EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). These results for reliability of lead-free interconnections are discussed.
Electrochemical migration characteristics of Pb-free solder alloys are quantitatively correlated with corrosion characteristics in harsh environment conditions. In-situ water drop test and corrosion resistance test for Sn-3.0Ag-0.5Cu solder alloys were carried out in NaBr and NaF solutions to obtain the electrochemical migration lifetime and pitting potential, respectively. Sn-3.0Ag-0.5Cu solder alloy shows similar ionization and electrochemical migration behavior with pure Sn because of Ag and Cu do not migrate due to the formation of resistant intermetallic compounds inside solder itself. Electrochemical migration lifetime in NaBr is longer than in NaF, which seems to be closely related to higher pitting potential in NaBr than NaF solution. Therefore, it was revealed that electrochemical migration lifetime of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder alloys showed good correlation to the corrosion resistance, and also the initial ionization step at anode side is believed to be the rate-determining step during electrochemical migration of Pb-free solders in these environments.
Recently European Council(EU) published the RoHS(restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment) which is prohibit the use of Pb, Hg, Cd, $Cr^{+6}$, PBB or PBDE in the electrical and electronic equipments. So EU member States shall ensure that, from 1 July 2006, new electrical and electronic equipment put on the market does not contain 6 hazardous substances. The one of the most important in electronics manufacturing process is soldering. Soldering process use the chemical substances which are applied in fluxing and cleaning processes and it can generate the malfunction of electronics caused by corrosion in the fields conditions. Therefore this study researched on the polarization and Tafel properties of Sn40Pb and Sn3.0Ag0.5Cu(SAC) solder based on the electrochemical theory. We prepared SnPb specimens which was aged in $150^{\circ}C,\;180^{\circ}C$ for 15 minutes ana Sn3.0Ag0.5Cu specimens that was aged in $180^{\circ}C,\;220^{\circ}C$ for 10 minutes. Experimental polarization curves were measured in distilled ionized water and $3.5 wt\%$, 1 mole NaCl electrolyte of $40^{\circ}C$, pH 7.5. Ag/AgCl and graphite were utilized by reference and counter electrode, respectively. To observe the electrochemical reaction, polarization test was conducted from -250 mV to +250 mV. From the polarization curves that were composed of anodic and cathodic curves, we obtained Tafel slop, reversible electrode potential(Ecorr) and exchange current density(Icorr). In these results, corrosion rate for two specimen were compared Sn3.0Ag0.5Cu with SnPb solders
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.26
no.3
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pp.81-88
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2019
In this study, the effects of graphene oxide (GO) addition on electromigration (EM) lifetime of Sn-3.0Ag-0.5Cu Pb-free solder joint between a ball grid array (BGA) package and printed circuit board (PCB) were investigated. After as-bonded, $(Cu,Ni)_6Sn_5$ intermetallic compound (IMC) was formed at the interface of package side finished with electroplated Ni/Au, while $Cu_6Sn_5$ IMC was formed at the interface of OSP-treated PCB side. Mean time to failure of solder joint without GO solder joint under $130^{\circ}C$ with a current density of $1.0{\times}10^3A/cm^2$ was 189.9 hrs and that with GO was 367.1 hrs. EM open failure was occurred at the interface of PCB side with smaller pad diameter than that of package side due to Cu consumption by electrons flow. Meanwhile, we observed that the added GO was distributed at the interface between $Cu_6Sn_5$ IMC and solder. Therefore, we assumed that EM reliability of solder joint with GO was superior to that of without GO by suppressing the Cu diffusion at current crowding regions.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.7
no.3
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pp.55-61
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2000
Sn-37Pb and Sn-3.5Ag-0.7Cu solder balls of 0.3 mm diameter were reflow soldered with the variation of soldering peak temperature and conveyer speed of reflow machine. The peak temperatures far soldering were changed in the range of 220~$240^{\circ}C$ for Sn-37Pb and 230~$260^{\circ}C$ for Sn-3.5Ag-0.7Cu. As the results of experiments, optimum soldering condition for Sn-37Pb was $230^{\circ}C$ of soldering temp., 0.7~0.8 m/min of conveyer speed. The optimum condition for the Sn-3.5Ag-0.7Cu was $250^{\circ}C$ and 0.6 m/min. The maximum shear strength for the soldered joints of Sn-37Pb was 555 gf and of Sn-3.5Ag-0.7Cu was 617 gf. Thickness of the intermetallic compound Cu6Sn5 on the soldered interface was 1.13~1.45 $\mu\textrm{m}$ for Sn-37Pb and 2.5~4.3 $\mu\textrm{m}$ for Sn-3.5Ag-0.7Cu.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.18
no.2
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pp.49-55
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2011
The failure of electronic instruments is mostly caused by heat and shock. This shock causes the crack initiation at the solder joint interface of PCB component which is closely related with the formation of intermetallic compound(IMC). The Ag content in Pb-free Sn-xAg-0.5Cu solder alloy used in this study was 1.0, 1.2 and 3.0 wt.%, respectively. After soldering with PCB component, isothermal aging was performed to 1000 hrs. The growth of IMC layer was observed during isothermal aging. The drop impact property of solder joint was evaluated by impact bending test method. The solder joint made with the solder containing lower Ag content showed better impact bending property compared with that with higher Ag content. On the contrary to this result, the solder joint made with solder containing higher Ag content showed better impact bending property after aging. It should be caused by the formation of fine $Ag_3Sn$, which relieved the impact. It showed consequently the different effect of fine $Ag_3Sn$ and coarse $Cu_6Sn_5$ particles formed in the IMC layer on the impact bending property.
When the electronics are tested with thermal shock for Pb-free solder joint reliability, there are temperature conditions with use environment but number of cycles for test don't clearly exist. To obtain the long term reliability data, electronic companies have spent the cost and times. Therefore this studies show the test method and number of thermal shock cycles for evaluating the solder joint reliability of electronic components and also research bonding strength variation with formation and growth of intermetallic compounds (IMC). SMD (surface mount device) 3216 chip resistor and 44 pin QFP (quad flat package) was utilized for experiments and each components were soldered with Sn-40Pb and Sn-3.0 Ag-0.5 Cu solder on the FR-4 PCB(printed circuit board) using by reflow soldering process. To reliability evaluation, thermal shock test was conducted between $-40^{\circ}C\;and\;+125^{\circ}C$ for 2,000 cycles, 10 minute dwell time, respectively. Also we analyzed the IMCs of solder joint using by SEM and EDX. To compare with bonding strength, resistor and QFP were tested shear strength and $45^{\circ}$ lead pull strength, respectively. From these results, optimized number of cycles was proposed with variation of bonding strength under thermal shock.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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