• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
• /
• 한국전기전자재료학회 2007년도 하계학술대회 논문집 Vol.8
• /
• 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.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
• /
• 한국전기전자재료학회 2000년도 하계학술대회 논문집
• /
• pp.640-644
• /
• 2000

Sn-3.5Ag 무연합금을 Cu 및 Alloy42 리드프레임에 납땜접합(solder joint)하고 미세조직, 젖 음성, 전단강도, 시효효과를 측정하여 비교하였다. CU의 경우, 납땜의 Sn기지상안에 Ag$_3$Sn$_{5}$상이, 그리고 땜납/리드프레임의 경계면에는 1~2$\mu\textrm{m}$ 두께의 Cu$_{6}$Sn$_{5}$상이 형성되었다. Alloy42의 경우, 기지상내에는 낮은 밀도의 Ag$_3$Sn상만이, 그리고 계면에는 0.5~1.5$\mu\textrm{m}$ 두께의 FeSn$_2$이 형성되었다. 한편. Cu에 비해 Alloy42 리드프레임에서 전단강도는 낮았으며, 시효 시간에 따라 전단강도는 모두 감소하였다. 18$0^{\circ}C$에서 1주일간 시효처리 후, Cu 리드프레임에는 계면에 η-Cu$_{6}$Sn$_{5}$ 층이 15-20$\mu\textrm{m}$ 성장하였고, A11oy42 리드프레임에는 기지상내에 AgSn$_3$이 조대하게 성장하였으며, 계면에는 FeSn$_2$층만이 약 $1.5\mu\textrm{m}$로 성장하였다.성장하였다.

• 대한용접접합학회:학술대회논문집
• /
• 대한용접접합학회 2006년도 춘계 학술대회 개요집
• /
• pp.218-220
• /
• 2006

Sn-3.0Ag-0.5Cu solder is widely used as micro-joining materials of flip chip package(FCP) because of the fact that it causes less dissolution and has good thermal fatigue property. However, compared with ternary electroplating in the manufacturing process, binary electroplating is still used in industrial field because of easy to make plating solution and composition control. The objective of this research is to fabricate Sn-3.0Ag-0.5Cu solder bumping having accurate composition. The ternary Sn-3.0Ag-0.5Cu solder bumping could be made on a Cu pad by sequent binary electroplating of Sn-Cu and Sn-Ag. Composition of the solder was estimated by EDS and ICP-OES. The thickness of the bump was measured using SEM and the microstructure of intermetallic-compounds(IMCs) was observed by SEM and EDS. From the results, contents of Ag and CU found to be at $2.7{\pm}0.3wt%\;and\;0.4{\pm}0.1wt%$, respectively.

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

• 마이크로전자및패키징학회지
• /
• 제15권4호
• /
• pp.51-57
• /
• 2008

저 Ag 함유 Sn-Ag-Cu계 무연솔더 조성, 즉, Sn-0.3Ag-0.7Cu 조성의 젖음 특성과 반응 특성을 Sn-1.0Ag-0.5Cu 및 Sn-3.0Ag-0.5Cu 합금 조성의 결과와 비교, 분석하였다. 또한 Sn-0.3Ag-0.7Cu 조성의 용융 특성을 시차주사열량계(differential scanning calorimeter, DSC)로 측정하고, 인장시험을 통한 응력-변형률 곡선을 관찰하였다. 아울러 Sn-0.3Ag-0.7Cu 조성의 젖음 특성을 향상시키기 위해 halide의 함유량이 많은 플럭스(flux)를 적용하거나 Sn-0.3Ag-0.7Cu 조성에 0.2wt.%의 In을 첨가하여 그 젖음 특성의 개선 정도를 분석해 보았다. 그 결과 halide 함유량이 높은 플럭스를 사용한 경우보다 미량의 In을 첨가한 경우가 $230{\sim}240^{\circ}C$의 저온 영역에서 wettability의 향상에 보다 효과적임을 관찰할 수 있었다.

• 한국재료학회지
• /
• 제9권9호
• /
• pp.926-931
• /
• 1999

Sn-3.5g 무연합금을 Cu 및 Alloy42 리드프레임에 납땜접합 (solder joint)하고 미세조직, 젖음성, 전단강도, 시효 효과를 측정하여 비교하였다. Cu의 경우, 땜납의 Sn기지상안에 Ag(sub)3Sn과 Cu(sub)6Sn(sub)5상이, 그리고 땜납/리드프레임의 경계면에는 $1~2\mu\textrm{m}$ 두께의 Cu(sub)6Sn(sub)5 상이 형성되었다. Alloy42의 경우, 기지상내에 낮은 밀도의 $Ag_3Sn$상만이, 그리고 계면에는 $0.5~1.5\mu\textrm{m}$ 두께의 $FeSn_2$이 형성되었다. 한편, Cu에 비해 Alloy42 리드프레임에서 퍼짐면적은 크고 접촉각은 작아 더 우수한 젖음성을 나타내었으나, 전단강도는 35%, 연산율은 75%로 낮았다. $180^{\circ}C$에서 1주일간 시효처리 후, Cu 리드프레임에는 계면 $\eta-Cu_6Sn_5$ 층외에 $\xi-Cu_3Sn$층이 성장하였고, Alloy42 리드프레임에는 기지상내에 $Ag_3Sn$이 구형으로 조대하게 성장하였고, 계면에는$FeSn_2$층만이 약 $1.5\mu\textrm{m}$로 성장하였다.

• 마이크로전자및패키징학회지
• /
• 제14권4호
• /
• pp.71-77
• /
• 2007

본 연구에서는 리플로우 횟수를 달리하여 Sn-37Pb, Sn-3.5Ag와 Sn-3.5Ag-0.75Cu (all wt.%) BGA 솔더 접합부들을 OSP가 코팅된 Cu 패드 상에 형성시킨 후, 기계적 전기적 특성을 연구하였다. 주사전자현미경 분석 결과, 접합 계면에 생성된 $Cu_6Sn_5$ 금속간화합물 층의 두께는 리플로우 횟수가 증가함에 따라 증가하였다. Sn-Pb와 Sn-Ag-Cu 솔더 접합부의 경우, 3회 리플로우 후 최대 전단 강도를 나타내었으며, Sn-Ag 솔더 접합부의 경우 4회 리플로우 후 최대 전단 강도를 나타내었다. 이후 리플로우 횟수가 10회까지 증가함에 따라 전단 강도는 점차 감소하였다. 리플로우 횟수가 증가함에 따라 전기적 특성은 점차 감소하였다.

• Journal of Welding and Joining
• /
• 제20권1호
• /
• pp.97-102
• /
• 2002

The growth kinetics of intermetallic compound layers formed between the eutectic Sn-3.5Ag solder and the Cu and Ni/Cu pad by solid stateisothermal aging were examined. The interfacial reaction between the eutectic Sn-3.5Ag solder and the Cu and Ni/Cu pad was investigated at 70, 120, 150, $170^{\circ}C$ for various times. The intermetallic compound layer was composed of two phase: $Cu_6Sn_5$(${\varepsilon}-phase$) adjacent to the solder and $Cu_6Sn_5$(${\varepsilon}-phase$) adjacent to the copper and on solder/Ni pad the intermetallic compound layer was $Ni_3Sn_4$. Because the values of time exponent(n) have approximately 0.5, the layer growth of the intermetallic compound was mainly controlled by volume diffusion over the temperature range studied. The apparent activation energy for layer growth of total Cu-Sn($Cu_6Sn_5 + Cu_6Sn$), $Cu_6Sn_5$, $Cu_3Sn$ and $Ni_3Sn_4$ intermetallic compound were 64.82kJ/mol, 48.53kJ/mol, 89.06kJ/mol and 71.08kJ/mol, respectively.

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

• 대한용접접합학회:학술대회논문집
• /
• 대한용접접합학회 2006년도 춘계 학술대회 개요집
• /
• pp.33-35
• /
• 2006

The interactions between Cu/Sn-Ag-(Cu) and Sn-Ag-(Cu)/Ni interfacial reactions were studied during isothermal aging at $150^{\circ}C$ for up to 1000h using Cu(ENIG)/Sn-3.5Ag-(0.7Cu)/Cu(ENIG) sandwich solder joints. A typical scallop-type Cu-Sn intermetallic compound (IMC) layer formed at the upper Sn-Ag/Cu interface after reflowing, whereas a $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMC layer was observed at the Sn-Ag/ENIG interface. The Cu in the $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMC layer formed on the Ni side was sourced from the dissolution of the opposite Cu metal pad or Cu-Sn IMC layer. When the dissolved Cu arrived at the interface of the Ni pad, the $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMC layer formed on the Ni interface, preventing the Ni pad from reacting with the solder. Although a long isothermal aging treatment was performed at $150^{\circ}C$, no Ni was detected in the Cu-Sn IMC layer formed on the Cu side. Compared to the single Sn-Ag/ENIG solder joint, the formation of the $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMC layer of the Cu/sn-Ag/ENIG sandwich joint effectively retarded the Ni consumption from the electroless Ni-P layer.