이 테스트에서, 90%에서 120%까지의 패드 길이에서 5% 간격의 직사각형 패드 위에 페이스트를 증착했다. 그런 다음 패드를 완전하게 뒤덮을 수 있는 최소의 비율을 찾았다. 

 

 

표 1에서 보는 바와 같이, 저온 재료는 Sn3Ag0.5Cu 페이스트 재료만큼 습윤되지 않았다. 

 

이 테스트에서는 0.075mm(3mils) ~ 0.300mm(12mils) 간격으로 여러 줄을 프린팅하고, 각 간격에서 브리지 된 선의 수를 세었다. 페이스트 모두 비슷하게 수행하였으나 저온 솔더 재료는 조금 더 슬럼프를 주었다. 전체 순위는 다음과 같다:

 

Rank 1 –Material D (3개 보드의 평균 브리지 120개)

Rank 2 –

Rank 3 –Material B (3개 보드의 평균 브리지 185개)

Rank 4 –

 

 

재료 사이에서 현저한 성능 차이 없이 테스트 한 모든 솔더페이스트의 BGA 볼에서 약 1%~10% 사이의 보이드가 관찰되었다. BGA 볼이 완전하게 용융되지 때문에 ‘수용’ 상태를 크게 변경하지 않았다. 

 

 

한 가지 놀라운 결과는 QFN/BTC 부품 하에서 저온 페이스트 재료가 얼마나 잘 수행되는지 였다. 대조군 SAC305 페이스트 재료의 보이드는 평균 9.9%였지만, 저온 재료는 페이스트 ‘C’의 경우가 1.8%, 페이스트 ‘B’가 5.9%, 페이스트 ‘D’는 8.4%였다. 이러한 결과는 그림 5, 그림 6, 그림 7, 그림 8에 나와 있다. 

 

 

 

JEDEC 9702 권장 절차에 따라 각 페이스트 유형의 4개 보드 상에서 4점 단조 굽힘 테스트를 수행했다. 단일 35×35 데이지체인 BGA를 62mils(1.6mm) 두께의 각 4 레이어 테스트 보드에 장착했다. 

변형 비율은 4mm/sec의 일정한 목표 헤드 속도로 구동되어 5k με/sec(초당 마이크로 스트레인)과 8k με/sec 사이의 변형율 응답을 불러왔다. 

하나의 재료(재료 ‘D’)에는 대량의 재료 불량에 앞서 데이지체인이 열린 곳에서 두 개의 비정상적인 판독 값이 있었다. 이는 패키지 주변에서의 약화이거나 손상된 솔더 조인트일 수 있다. 이 작은 샘플 세트는 초기 1 단계 근사치를 얻기 위한 것이었다. 

후속 테스트를 계획하고 있다. 3배의 변형률(15K με/sec)로 8개의 보드를 테스트할 것이다. 또한 모든 재료에 대한 낙하 테스트를 수행할 예정이다. 페이스트 간의 차이는 페이스트 재료 간의 차이보다 적었으나, 여전히 성능 순위를 매길 수 있었다. 첨가된 Material ‘B’는 Sn3Ag05Cu 대조군을 약간 능가했고, 다른 물질은 대조군과 비슷하거나 약간 낮았다. Material D의 범위가 가장 넓었다. 

다음으로는, 응력 및 연속성 응답 곡선에서 실선은 변형 측정(센서가 하단에 배치되었기 때문에 반대로 생성)이고 점선(각 보드에 상응하는 색상)은 데이지체인이다. 점선(데이지체인)은 회로에 장애가 발생하면 빠르게 ‘Open’된다. 신호 샘플링은 지정된 속도인 500/sec의 4배인 2K/sec이다. 

 

 

그림 9에서 보는 바와 같이, 테스트 한 4개의 보드 중 2개가 대량 재료보다 먼저 불량이 나타났다. 이 재료는 가장 높고 가장 낮은 응답 범위(각각 9311με 및 7313με)를 보였다. 조기 불량을 이해하려면 추가적인 평가가 필요하다. 

그림 10에서는, 하나의 보드(검은색으로 표시됨)에서 약간 이른 시점에 불량이 발생했다(대량 불량 이전). 이는 손상된 솔더 조인트일 수도 있다. 아울러, 약간의 솔더 합금 구성의 차이에 의해 나타낼 수도 있다. 이러한 현상을 확인하려면 더 많은 정보가 필요하다. 

 

 

그림 11에서는, 연속성 오류는 테스트한 모든 보드의 대량 불량과 직접적으로 일치함을 보여주고 있다. 흥미롭게도 이들 보드는 보드 랜드 패드-to-보드 인터페이스에서 대부분 불량이 나왔지만, 이 재료는 가장 강력한 반응을 보이지 않았다. 

그림 12에서는, 샘플 ‘B’ 보드가 대조군 재료와 유사한 거동을 보였지만 하나(파란색)의 보드는 대량 솔더 불량보다 약간 앞서 오픈되었음을 보여주고 있다. 

 

 

표 2에서는, 재료 간의 차이는 각 재료 내부의 차이보다 적었음을 나타내고 있다. 이는 통계적 차이가 거의 없거나 전혀 없음을 나타낸다. 재료 ‘D’의 슬로프와 범위를 추가로 연구하여 이것이 전형적인 현상인지 아니면 이상 현상인지 확인해야 한다. 추가 테스트가 진행 중이다. 

그림 13에서 보는 바와 같이, Material ‘B’가 가장 좋은 성능을 보였고 Material ‘D’가 가장 나빴다. 

 

 

불량 모드는 염료침투분석(Dye & Pry), X-section 후에 분석하였으며, 2개의 주요 불량 모드가 존재했다. 대조군 Sn3Ag0.5Cu 재료는 대부분 보드 랜드 패드 아래에서 불량이 나왔고(그림 14의 Type 5 불량 모드로 표시), 일부 보드 재료를 많이 끌어당긴(패드 크레터링(pad cratering)과 유사한 현상) 반면에 저온 재료는 기판 측면의 많은 솔더 접합부에서 IMC(intermetallic) 바운더리를 뚫는 경향이 있었다(그림 14의 Type 4 불량 모드 참조). 

흥미롭게도 가장 강력한 포인트는 전통적으로 보드 랜드 패드와 보드 간의 접합이었다. 제한된 이번 테스트에서 대조군 재료는 가장 강한 반응을 보이지 않았다. 이것은 SAC-305 리플 로우 프로파일의 더 높은 공정 온도가 패드-to-보드 강도에 영향을 미친다는 것을 의미할 수도 있다. 

 

 

ATC(가속온도주기) 테스트를 수행하기 위해 JEDEC 9701의 권장 절차를 따랐다. 다중의 데이지체인과 0 Ohm 부품을 4-레이어 PCB에 장착했다. 보드는 62mil(1.6mm) 두께였으며 각 솔더 재료에 18~20개의 보드가 사용되었다. 보드는 10분 램프/dwell 시간과 함께 0~100℃의 40분 온도 사이클을 적용하였다. 다음 4개의 부품에 대한 200 사이클 간격의 전기 연속성을 측정했다. 

 

▶ 1196 PBGA, 35×35mm, 1.0mm 피치, SAC305 (u309)

▶ 196 PBGA, 15×15mm, 1.0mm 피치 SAC305 (u1)

▶ 64 CBGA, 9×9mm, 0.8mm 피치, SAC305 (u300)

▶ 2512 박막 세라믹 0Ohm 레지스터 (R350)

 

 

본 고 작성 시점에, 2512 박막 세라믹 0Ohm 레지스터 이외의 특정 부품에서 아주 작은 불량으로 4200 사이클에 도달했다. 솔더페이스트 ‘D’ 보드는 다른 페이스트 기판과 동시에 어셈블리되지 않았기 때문에 본고 작성 시점에서 특정 불량 없이 1000번의 온도 사이클만 완료했다.

그림 17에서 보는 바와 같이, 저온 합금(비스무스 함유)은 상대적으로 낮은 변형률 테스트 동안 대조군 재료 ‘A’를 약간 능가했다. 

 

 

50도 이상의 피크 온도 델타와 전체적으로 낮은 온도 프로파일로, 리플로우 프로세스 동안 에너지 소비가 매우 감소한다는 점이 분명히 밝혀져야 한다. 이러한 저온 솔더는 SAC305에 비해 리플로우 전력소모 비용을 20~25% 절감하는 것으로 추정된다.

 

 

또한 이들 저온 솔더를 사용하면 CO2 배출량을 주당 1.1미터 톤까지 줄일 수 있을 것으로 추정된다.1. 이는 연간 평균 휘발유 차량(미국에서 운전) 10대에 해당한다. 

 

 

 

Sn3Ag0.5Cu 페이스트 합금에 대한 저온 페이스트 합금을 조사한 예비 결과는 유망해 보인다. 제한된 외부 테스트 데이터와 결합된 현재까지 제한된 내부 테스트는 이러한 새롭게 추가된 저온 솔더가 Sn3Ag0.5Cu(SAC305)보다 성능이 동등하거나 우수하다는 것을 나타냈다. 

추가 테스트 및 평가가 필요하다. 새로운 합금이 추가된 저온 솔더와 추가되지 않는 솔더 간의 차이를 확인하려고 하고 있으며, 낙하/충격 및 더 높은 변형률의 단조 굽힘 테스트를 실시하고 있다.    

 

 

 

 

REFERENCES

1. S. Sahasrabudhe, S. Mokler, M.Renavikar, S. Sane, K. Byrd, E. Brigham, O.Jin, Pubudu, Goonetilleke, N.Badwe and S.Parupalli, Low Temperature Solder –A Breakthrough Technology for Surface Mounted Devices., Intel Corporation, 2018 IEEE 68th Electronic Components and Technology Conference, https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/presentation/low-temperature-solderingintroduction.pdf

 

2. R.Aspandiar, Intel Corp, INEMI, Pan Pacific SMTA http://thor.inemi.org/webdownload/2018/Process_Dev_of_BiSn_-Based_Low_Temp_Pan_Pacific_020818.pdf