• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제15권4호
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• pp.77-86
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• 2008

본 연구에서는 유연솔더인 63Sn37Pb와 무연 솔더인 95.5Sn4.0Ag0.5Cu와 97Sn2.5Ag0.5Cu BGA(Ball Grid Array) 패키지를 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB)에 위치에 따라 장착하고 보드레벨의 낙하시험(Board Level Drop Test)을 실시하여 충격에 대한 유 무연 솔더의 특성을 분석하였고 4점굽힘시험(board Level 4-point Bending Test)을 실시하여 굽힘에 대한 솔더볼의 기계적 저항특성을 분석하였다. 또한 유한요소법(Finite Element Modeling, FEM)을 이용해 낙하시험과 4점굽힘시험에서 솔더 조인트에 미치는 응력과 변형률을 해석하였으며, 시험 설계 시에 솔더 조인트의 응력변화에 영향을 미칠 수 있는 변수를 고려하여 해석하고 결과를 비교 분석하였다. 낙하시험과 4점굽힘시험에서 모두 무연솔더는 유연솔더보다 2배 이상 높은 신뢰성을 보였으며, PCB의 중앙에 위치한 패키지는 외각에 위치한 패키지 보다 매우 낮은 신뢰성을 보였다. 유한요소법을 통해 해석한 결과 최외각 솔더에서 가장 큰 응력이 발생하였고, 솔더의 조성과, 시험설계변수에 의해 응력의 발생 정도가 다름을 나타내었다.

• 대한용접접합학회:학술대회논문집
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• 대한용접접합학회 2010년도 춘계학술발표대회 초록집
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• pp.82-82
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• 2010

표면실장 공법을 통해 CSP 패키지를 보드에 실장 하는데 있어 무연솔더 접합부의 신뢰성에 영향을 미치는 인자 중 가장 중요한 것은 접합부에 형성되는 IMC (Intermetallic compound, 금속간화합물)인 것으로 알려져 있다. 접합부의 칩 부분에는 솔더와 칩의 UBM (Under bump metalization)이 접합하여 IMC가 형성되나, 보드 부분에는 솔더와 보드의 UBM 뿐만 아니라 그 사이에 솔더 페이스트가 함께 접합되어 IMC가 형성된다. 본 연구에서는 패키지의 신뢰성 연구를 위해 솔더 페이스트의 유무 및 두께에 따른 무연 솔더 접합부의 미세조직의 변화를 분석하였다. 본 실험에서는 Sn-3.0(Wt.%)Ag-0.5Cu 조성과 본 연구진에 의해 개발된 Sn-Ag-Cu-In 조성의 직경 $450{\mu}m$ 솔더 볼을 사용하였으며, 솔더 페이스트는 상용 Sn-3.0Ag-0.5Cu (ALPHA OM-325)를 사용하였다. 칩은 ENIG (Electroless nickel immersion gold) finish pad가 형성된 CSP (Chip scale package)를, 보드는 OSP (Organic solderability preservative)/Cu finish pad가 형성된 것을 사용하였다. 실험 방법은 보드를 솔더 페이스트 없이 플라즈마 처리 한 것, 솔더 페이스트를 $30{\mu}m$ 두께로 인쇄한 것, $120{\mu}m$의 두께로 인쇄한 것, 이렇게 3가지 조건으로 준비한 후, 솔더 볼이 bumping된 칩을 mounting하여, $242^{\circ}C$의 peak 온도 조건의 oven(1809UL, Heller)에서 reflow를 실시하여 패키지를 형성하였다. 이후 시편은 정밀 연마한 후, OM(Optical Microscopic)과 SEM(scanning electron microscope) 및 EDS(energy dispersive spectroscope)를 사용하여 솔더 접합부 IMC의 미세조직을 관찰, 분석하였다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제12권4호통권37호
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• pp.289-299
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• 2005

실험과 비선형 유한요소해석을 병행하여, area array 패키지에서 솔더 접합부 특성을 판별하기 위한 전단시험 결과에 미치는 전단속도와 높이의 영향을 연구하였다. 전단속도의 증가와 전단높이의 감소에 따라 전단강도는 증가하는 경향을 나타내었다. 과대하게 높은 전단높이는 비정상적으로 높은 표준편차 또는 솔더볼 표면으로부터 전단 프로브의 밀림 현상과 같은 실험오차를 발생시켰다. 반면, 낮은 전단 속도는 취약한 계면 파괴나 계면에서 가장 약한 층의 판별에 있어서 유용하였다. 한편, 리플로우 회수 증가에 따른 Sn-37Pb/Cu와 Sn-3.5Ag/Cu BGA 솔더 접합부의 기계적${\cdot}$전기적 특성에 대하여 연구하였다. Cu6Sn5와 Cu3Sn으로 구성된 금속간화합물 층의 총 두께는 리플오우 시간의 1/3승에 비례하여 증가하였다. 전단 강도는 3회 또는 4회 리플로우까지 증가한 후, 이후 리플로우 회수에 비례하여 감소하는 경향을 나타내었다. 이때, 파괴는 리플로우 회수에 관계없이 솔더 내에서 발생하였다. 진기 비저항은 리플로우 회수에 비례하여 증가하였다.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제10권3호
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• pp.19-27
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• 2003

플립칩 전자패키지에서 칩과 기판(PCB)를 연결할 때, 통상적으로 칩쪽은 금속패드/UBM 처리를 기판 쪽은 표면처리를 한 후 솔더로 연결하는데, 이 때 사용되는 UBM이나 표면처리에 따라, 칩/솔더, PCB/솔더에 생성되는 금속간 화합물의 종류와 두께 및 솔더의 조성이 변하게 되어 궁극적으로 솔더 접합부의 기계적 신뢰성에 영향을 주게 된다. 본 연구에서는 Cu와 Au/Ni의 두가지 금속 패드가 무연솔더의 저주기 피로특성에 어떠한 영향을 미치는 지에 대해 고찰해 보았다. 저주기 피로 실험은 Cu나 Au/Ni이 표면처리 된 기판에 무연솔더 (Sn-3.5Ag, Sn-3.5Ag-1.5Cu, Sn-3.5Ag-XBi(X=2.5, 7.5), Sn-0.7Cu)를 리플로하여 총변위를 변화시키면서 상온에서 시행하였다. 기판의 표면처리에 관계없이 Sn-3.5Ag, Sn-3.5Ag-XCu(X-0.75, 1.5), Sn-0.7Cu 합금이 Sn-3.5Ag-7.5Bi 합금보다 피로저항성이 현격히 좋았으며, Au/Ni 표면처리한 솔더 접합부가 Cu 처리한 경우보다 피로저항성이 뛰어난 것으로 나타났다. 파괴 후 단면을 조사한 결과 계면에 형성된 금속간 화합물 내에 미세균열이 발견되었는데, Cu 표면처리를 사용한 경우 더 많은 미세균열이 생성된 것을 볼 수 있었다. Sn-3.5Ag, Sn-3.5Ag-Cu(X=0.75, 1.5), Sn-0.7Cu 합금의 경우 금속간 화합물 내에 생기는 미세 균열이 거시 균열로 성장하지 않고 파단은 항상 솔더 내부로 일어난 반면. Bi를 함유한 솔더의 경우, 기판의 표면처리에 상관없이 금속간 화합물/솔더 계면으로 균열이 생성 진전되어 다른 솔더합금에 비해 열악한 피로저항성을 나타내는 것으로 보인다. 이것은 Bi의 금속간화 합물/솔더 입계 편석이나 Bi 합금이 다른 합금에 비해 높은 경도값을 가지는 것에 인한 것으로 보여 진다.

• Journal of Welding and Joining
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• 제26권5호
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• pp.43-48
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• 2008

Characteristics of Sn-1.7%Bi-0.7%Cu-0.6%In (hereafter, SBIC) lead-free solder was investigated in this study. The results from SBIC were compared to other lead-free solders such as Sn-3.5%Ag-0.7%Cu (hereafter, SAC), Sn-0.7%Cu (hereafter, SC), and lead-bearing Sn-37%Pb (hereafter, SP) alloy. Tensile properties of bulk solder, wettability, spreading index, bridge and dross were evaluated. As experimental results, tensile strength and elongation of SBIC was 62.5MPa and 21.5%, respectively. The tensile strength was comparable to that of SP solder. The wetting time of SBIC was 1.2 sec at $250^{\circ}C$, and its wetting properties including wetting force were as good as the SAC alloy. However, wettability of the SC was not so good as the SBIC and SAC. The spreading index of SBIC at $250^{\circ}C$ was 71 %, and it was similar level to those of SAC and SC solders. Bridging was not found for all solders of SBIC, SAC and SC in the range from 240 to $260^{\circ}C$. In dross test at $250^{\circ}C$ for an hour, the amount of dross produced from SBIC was about 57% compared to that from SAC.

• 한국마이크로전자및패키징학회:학술대회논문집
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• 한국마이크로전자및패키징학회 2004년도 ISMP Pb-free solders and the PCB technologies related to Pb-free solders
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• pp.211-219
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• 2004

A new alloy definition will be presented concerning increasing demands for the board level reliability of miniaturized interconnections. The damage mechanism for LFBGA components on different board finishes is not quite understood. Further demands from mobile phones are the drop test, characterizing interface performance of different package constructions in relation to decreased pad constructions and therefore interfaces. The paper discusses the characterization of interfaces based on SnPb, SnPbXYZ, SnAgCu and SnAgCuInNd ball materials and SnAgCuInNd as solder paste, the stability after accelerated tests and the description of modified interfaces stric시y related to the assembly conditions, dissolution behavior of finishes on board side and the influence of intermetallic formation. The type of intermetallic as well as the quantity of intermetallics are observed, primaliry the hardness, E modules describing the ability of strain/stress compensation. First results of board level reliability are presented after TCT-40/+150. Improvement steps from the ball formulation will be discussed in conjunction to the implementation of lead free materials. In order to optimize ball materials for area array devices accelareted aging conditions like TCTs were used to analyze the board level reliability of different ball materials for BGA, LFBGA, CSP, Flip Chip. The paper outlines lead-free ball analysis in comparison to conventional solder balls for BGA and chip size packages. The important points of interest are the description of processability related to existing ball attach procedures, requirements of interconnection properties and the knowledge gained the board level reliability. Both are the primary acceptance criteria for implementation. Knowledge about melting characteristic, surface tension depend on temperature and organic vehicles, wetting behavior, electrical conductivity, thermal conductivity, specific heat, mechanical strength, creep and relaxation properties, interactions to preferred finishes (minor impurities), intermetallic growth, content of IMC, brittleness depend on solved elements/IMC, fatigue resistance, damage mechanism, affinity against oxygen, reduction potential, decontamination efforts, endo-/exothermic reactions, diffusion properties related to finishes or bare materials, isothermal fatigue, thermo-cyclic fatigue, corrosion properties, lifetime prediction based on board level results, compatibility with rework/repair solders, rework temperatures of modified solders (Impurities, change in the melting point or range), compatibility to components and laminates.

• 마이크로전자및패키징학회지
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• 제6권3호
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• pp.9-18
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• 1999

본 연구에서는 융점 이상에서의 유지시간에 따른 Sn-3.5Ag 및 Sn-37Pb 공정솔더볼과 Au/Ni/Cu 기판 사이의 야금학적 특성을 고찰하였다. 현재 상용되는 리플로 솔더링 장비를 사용하여, 최고 솔더링 온도와 Conveyor 속도를 변화시킴으로써 융점이상에서의 유지시간을 측정하였다. 결과로서 접합부 계면에서 스캘럽 형태의 $Ni_3Sn_4$금속간화합물이 형성되었고, Cu-Sn계 화합물은 관찰되지 않았다. Ni층이 Cu의 확산 장벽으로 작용하였다. 최고 솔더링 온도가 증가함에 따라 금속간화합물 층의 두께가 최고 2.2$\mu\textrm{m}$까지 성장하였다. 스캘럽의 형상은 반구형에서 지름이 더 작은 볼록한 형상으로 변하게 된다. 접합부의 미세경도값은 Sn-3.5Ag와 Sn-37Pb의 공정조직이 성장함에 따라 감소하였다.

• 한국마이크로전자및패키징학회:학술대회논문집
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• 한국마이크로전자및패키징학회 2003년도 International Symposium
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• pp.193-215
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• 2003

Fracture Mechanism of Flip Chip Electromigration Failure - Mostly caused by Cathode Depletion at the UBM/Solder Interface Guideline to Increase Electromigration Resistance Material Selection: Sn/Ag(/Cu) > Pb/63Sn Cu UBM > Ni UBM (but, Solder Material combination) UBM Design: thick UBM is preferable (but, Stress Issue) Pad open/UBM size: as large as possible (but, pad size & pitch limit)

• 한국마이크로전자및패키징학회:학술대회논문집
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• 한국마이크로전자및패키징학회 2004년도 ISMP Pb-free solders and the PCB technologies related to Pb-free solders
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• pp.233-241
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• 2004

A new alloy definition will be presented concerning increasing demands for the board level reliability of miniaturized interconnections. The damage mechanism for LFBGA components on different board finishes is not quite understood. Further demands from mobile phones are the drop test, characterizing interface performance of different package constructions in relation to decreased pad constructions and therefore interfaces. The paper discusses the characterization of interfaces based on SnPb, SnPbXYZ, SnAgCu and SnAgCuInNd ball materials and SnAgCuInNd as solder paste, the stability after accelerated tests and the description of modified interfaces strictly related to the assembly conditions, dissolution behavior of finishes on board side and the influence of intermetallic formation. The type of intermetallic as well as the quantity of intermetallics are observed, primaliry the hardness, E modules describing the ability of strain/stress compensation. First results of board level reliability are presented after TCT-40/+150. Improvement steps from the ball formulation will be discussed in conjunction to the implementation of lead free materials In order to optimize ball materials for area array devices accelareted aging conditions like TCTs were used to analyze the board level reliability of different ball materials for BGA, LFBGA, CSP, Flip Chip. The paper outlines lead-free ball analysis in comparison to conventional solder balls for BGA and chip size packages. The important points of interest are the description of processability related to existing ball attach procedures, requirements of interconnection properties and the knowledge gained the board level reliability. Both are the primary acceptance criteria for implementation. Knowledge about melting characteristic, surface tension depend on temperature and organic vehicles, wetting behavior, electrical conductivity, thermal conductivity, specific heat, mechanical strength, creep and relaxation properties, interactions to preferred finishes (minor impurities), intermetallic growth, content of IMC, brittleness depend on solved elements/IMC, fatigue resistance, damage mechanism, affinity against oxygen, reduction potential, decontamination efforts, endo-/exothermic reactions, diffusion properties related to finishes or bare materials, isothermal fatigue, thermo-cyclic fatigue, corrosion properties, lifetime prediction based on board level results, compatibility with rework/repair solders, rework temperatures of modified solders (Impurities, change in the melting point or range), compatibility to components and laminates.

• 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.