Joining characteristics of Sn-3.5Ag solder joint of induction heating by the material property of pad

Abstract

현재 전자ㆍ정보통신산업의 급속한 발달에 따라서 표면실장기술은 더욱 고집적화와 고신뢰성 확보를 요구하고 있으며, 전자 부품의 접성도 혹은 단일 전자칩의 I/O 밀도가 부단히 증가되고 있다. 특히 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Scale Package), FC(Flip Chip) 등의 고밀도 Area Array 패키지는 현재 고주파 통신기기, Micro Electronic Mechanical System, 바이오센서 등의 영역에 많이 사용되고 있다. 기존 솔더링 공정 기술은 이러한 고밀도 실장 적용에 어려움이 있으며, 높은 융점의 무연 솔더 접합 시 기판과 전자부품에 열영향을 주어 부품의 변형 및 파손의 우려가 있다. 이에 전자 산업에 적용이 가능하고 낮은 가격과 높은 신뢰성을 보장하는 새로운 솔더링 공정 기술이 요구된다. 고주파 유도가열은 금속합금의 용융, 담금질, 풀림, 브레이징, 단조 등의 분야에서 사용되어지고 있으며, 솔더링에 응용시 반도체 및 기판의 열영향을 최소화 하고 국부적 가속 가열 실현을 통해 접합부 계면 금속 반응을 제어할 수 있는 이점을 지니고 있다. 본 연구에서는 새로운 솔더링 기술로서 고주파 유도가열을 이용하여 대표적 무연 솔더 합금인 Sn-3.5Ag 솔더 범프의 형성과 그 접합 특성을 평가하고 열전도 해석을 통해 유도가열에 의한 무연 솔더링의 신뢰성을 해석하고, 고주파 유도가열의 솔더링에의 적용 가능성을 확인하고자 하였다. 본 실험에서는 Sn-3.5Ag 솔더볼을 FR4 기판의 도금물질(Au/Ni/Cu, Au/Cu, Ni/Cu, Cu)을 달리하여 유도가열에 의해 솔더 범핑을 실시하였다. 여기서 고주파 유도가열 장치의 주파수는 300㎑로 고정하고 전류와 가열시간을 조절하여 솔더 범프를 형성시켰으며, 솔더링 중 적외선 온도 측정기를 이용하여 솔더 범프의 발열량을 측정하고 초기조건을 선정하였다. 선정된 초기조건을 이용하여 유도가열에 의해 솔더 범프를 형성하고 전단강도, 계면조직 및 금속간 화합물 두께에 대해 분석하였으며, 유도가열과 열풍리플로 두 공정을 이용하여 각각의 조건에서 솔더 범프를 형성한 후 시효시간에 따른 계면조직 변화를 비교 분석하였다. 또한 유한요소법에 의한 2차원 정상 열전도 해석을 통해 솔더 범프의 온도구배 분포를 분석하여 실험 결과와 비교하였다. 초기조건 선정 실험 결과, 유도가열에 의한 솔더범프의 형성은 전류와 시간이 주요 변수이며, 전해도금물질의 열전도도에 따라 발열량에서 차이를 보여 접합시간에 영향을 미침을 알 수 있었다. 솔더 범프 내에는 다양한 금속간 화합물이 존재하였고, 금속간 화합물은 유도가열시간 및 가열온도, 시효시간에 의해 좌우되었다. 금속간 화합물은 대체로 가열시간과 시효시간이 증가함에 따라 증가함을 볼 수 있었다. 2차원 정상 열전도 해석 결과 접합계면의 양 끝단에서 큰 온도변화를 보였으며, 그 주위로 응력이 많이 분포할 것으로 사료된다. 가열시간에 따른 전단강도는 가열시간과 리플로 온도, 금속간 화합물의 두께에 의해 달라지며, 특히 금속간 화합물층의 증가는 솔더 범프의 강도 저하를 수반하는 것으로 사료된다. 본 연구 결과, 새로운 솔더링 공정 기법으로서 고주파 유도가열의 전자산업에 대한 적용 가능성과 신뢰성을 확인하였다.