iNEMI(International Electronics Manufacturing Initiative)가 후원하는 Pb-Free Alloy Characterization Program에서는 12개의 상용 또는 개발 중인 Sn 기반 Pb-free 솔더를 활용한 BGA(Ball Grid Array)의 열피로 성능을 평가하기 위해 가속 온도 사이클링(ATC) 테스트를 활용한 광범위한 조사를 수행하고 있다. 본고에서는 특정 하부 주제의 일환으로 실시한 온도 사이클링 테스트 매트릭스의 초기 결과를 발표한다. 초점은 가장 일반적으로 지정된 두 가지 온도 사이클인 0~100℃와 –40~125℃ 조건에서의 합금 성능을 비교하는 것이다. 이 두 사이클은 극한 온도와 주기적 온도 범위(ΔT)가 달랐지만, 10분의 고온 및 저온 체류 시간은 동일했다. 불량 데이터는 2-변수 Weibull 분석에서 특성 수명 η(63.2% 불량의 주기 수) 및 슬로프 β로 보고하였다. ATC 데이터 및 불량 분석에서는 합금 조성 및 초기 미세 구조 및 온도 사이클링 동안 진화하는 미세 구조와의 관계 측면에서 논의한다. 

 

 

Sn 기반 무연 솔더 합금 개발의 혁신은 대량 생산 및 현장 경험을 통해 이뤄지고 있다. 결과적으로 Sn-Pb를 대체하기 위해 초창기에 정립된 일반적인 준 공융 SAC(near-eutectic Sn-Ag-Cu) 합금을 넘어서는 무연 솔더 합금을 선택할 수 있는 경우의 수가 많아졌다. 무연 합금의 개발은 많은 Ag 함량에 의한 결점, 약한 기계적 충격 성능, 합금 비용, 도금된 스루홀의 동박 용해, 보드 벤딩 도중의 접합부의 열악한 기계적 거동과 같은 공융 SAC의 단점을 해소시킬 수 있는 기회를 준다. 동시에 합금 선택의 증가는 열 피로 저항의 잠재적인 하락과 같은 다양한 기술적 위험을 초래하기도 한다.[1],[2] 열 피로 및 크리프 성능은 표면 실장(SMT) 부품의 주요 고장 원인이기에 고신뢰성 애플리케이션에서 매우 중요하다.[3] 무연 합금의 경우, 미세구조 에이징, 크리프 및 열피로의 과정은 합금 조성, 특히 iNEMI 시험 매트릭스의 주요 변수 중 하나인 Ag 함량에 의존하는 것으로 알려져 있다.[4],[5],[6],[7],[8],[9]

ATC(Accelerated thermal cycling)는 낮은 사이클, 열 피로 불량에 대한 민감성을 평가하기 위한 표준 방법이다. 무연 솔더의 열피로 신뢰성은 유지 시간 및 극한 온도와 같은 온도 사이클링 변수에 민감했고, 공융 Sn-Pb 솔더와 비교하였다.[10] 본고에서는 가장 일반적으로 사용되고 있는 0~100℃와 –40~125℃ 2개의 온도 사이클링을 적용하여 여러 무연 솔더 합금에 관한 초기 온도 사이클링 결과를 보여준다. 전자의 사이클링은 일반적으로 통신 정보 기술 애플리케이션에 사용되며, 후자는 자동차와 같은 가혹한 사용 환경에서 주로 적용되고 있다. 테스트 결과 및 불량 분석은 Ag 함량 및 도펀트 함량, 두 온도 사이클 사이의 가속 계수 차이, 온도 사이클 중 초기 및 진화하는 미세 구조와의 관계 측면에서 논의하였다. 

 

 

iNEMI Pb-Free Alloy Characterization 프로그램 목표, 실험 계획 및 테스트 프로토콜에 대한 자세한 설명은 이전 간행물[11],[12]에 나와 있다. 테스트 프로그램이 진행 중이며 12개의 상용 또는 개발 중인 Sn 기반 무연 솔더 합금, 공정 Sn-37Pb 솔더, 2개의 다른 BGA(Ball Grid Array) 부품, 열 피로 거동을 연구하기 위한 10개의 다른 온도 사이클을 포함하여 연구를 진행하였다. 5개의 서로 다른 상업용 무연 합금(SAC405, SAC305, SAC205, SAC105, SN100C)과 Sn-37Pb 공정 합금에 맞춰 제작된 두 개의 BGA 부품에 관한 데이터가 포함된다. 공칭 합금 조성은 표 1에 나와 있다.

 

 

그림 1은 밀집된 iNEMI 합금 특성화 BGA 테스트 보드이다. 각 PCB에는 총 32개의 부품이 포함되어 있으며, 이 중 16개는 대형 192CABGA 부품이고, 16개는 소형 84CTBGA 부품이다. BGA 부품 및 PCB 테스트 보드의 속성은 표 2에 나와 있다. 부품은 다양한 솔더 합금 볼의 후속 부착을 가능하게 하려고 LGA 구조로 조달하였다.[12]

 

모든 무연 테스트 보드는 무-세척 SAC305 솔더 페이스트를 사용하여 어셈블리되었다. 무연 리플로우 프로파일의 피크 온도는 245℃로 설정되었다. SnPb 공정 테스트 보드는 215℃의 피크 리플로우 온도에서 Sn-37Pb 솔더 페이스트를 사용하여 어셈블리되었다. 어셈블리 이후 모든 카드는 육안 검사, 전기 연속성 테스트 및 X-ray 검사를 거쳤다.

 

 

부품과 테스트 회로 기판은 SMT 이후에 전기적 연속성 테스트가 가능하도록 데이지 체인 구조로 연결되어 있으며, 현장에서 열 사이클링 동안 지속적으로 모니터링되었다. 각 루프의 저항은 온도 사이클 테스트 동안 개별적으로 모니터링되었다. 두 가지 온도 사이클은 표 3에 설명되어 있다. 열 사이클링은 IPC-9701A 산업계 테스트 지침[13]에 따라 수행되었으며 전체 테스트 세부 정보는 이전 간행물[12]에서 소개했다. 솔더 조인트는 0~100℃ 테스트용 이벤트 감지기와 -40/125℃ 테스트용 데이터 로거를 사용하여 열 사이클링 동안 지속적으로 모니터링되었다. 두 모니터링 시스템 모두 다른 곳에서 설명한 대로 동일한 저항 한계인 1,000Ω을 적용했다.[12] 고장 데이터는 2-변수 Weibull 분석에서 특성 수명 η(63.2% 고장을 달성하기 위한 주기 수) 및 슬로프 β로 보고되었다.

 

       

각 테스트 셀의 대표적인 PCB 어셈블리에 대해 기준 특성화를 수행했다. 온도 사이클링 전에 미세 구조를 문서화하여 실패한 온도 사이클링 샘플과 비교할 수 있다. 분석은 광학 금속학(파괴 단면 분석) 및 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 수행되었다. 초기 위상(phase) 식별 및 원소 분석은 에너지 분산 분광법(EDS)으로 수행되었다. 후속 위상 차이는 후방 산란 전자 이미징(BEI) 모드에서 작동하는 SEM을 사용하여 수행되었다. 광학 금속학은 불량 모드를 확인하는 데 사용되는 주요 도구였다. 광학 금속학은 일반적으로 Sn-37Pb 솔더 평가에 적합하지만 후방 산란 전자 이미징(BEI) 모드에서 사용되는 SEM은 SAC 미세 구조에서 위상을 구별하는 데 특히 유용한 것으로 알려져 있다.

 

 

 

      

그림 2와 그림 3은 이 연구에 포함된 5가지 Pb-free 합금 및 공정 Sn-37Pb 합금(표 1 참조) 각각에 대한 기준선(열 순환 전) BGA 솔더 접합 미세 구조를 비교한 고배율 후방 산란 전자 이미지(원래 배율 2000X)를 보여주고 있다. 이러한 분석은 Pb-free 합금의 미세한 미세 구조적 특징의 분해능을 가능하도록 상대적으로 높은 배율에서 수행되었다. 192CABGA 및 84CTBGA 패키지에 대해 별도의 이미지가 제공된다. 이 일련의 현미경 사진은 이 연구에 사용된 두 패키지 테스트 보드 및 솔더 볼 합금 각각에 대한 SMT 어셈블리의 미세 구조를 열 사이클링 이후의 미세 구조와 비교할 수 있도록 개발되었다. 

 

 

일반적으로 β-Sn 상의 핵 형성하는 데 필요한 많은 양의 과냉(undercooling)은 Sn-Ag-Cu 무연 합금에서 평형 삼원계 공융 구조를 억제하는 경향이 있다.[14] 이는 준 공융 구성성분에도 불구하고 SAC405 및 SAC305에서도 적용되는 현상이다.[15] 결과적으로 이러한 미세구조에서는 삼원계 공융 분해가 거의 관찰되지 않다. 대형 192CABGA 부품의 경우, 4개 SAC 합금의 미세 구조는 셀 또는 덴드라이트 경계에서 2차 Ag3Sn 입자가 있는 1차 Sn 셀로 구성된다. 예상대로 Ag3Sn 입자 밀도는 SAC 합금 Ag 함량이 증가함에 따라 늘어난다. SAC405 합금은 Ag 함량이 가장 높고 Ag3Sn 입자가 가장 많이 포함되어 있다. 과냉, Ag와 Sn의 과포화, 국부적인 조성 변화가 결합하여 이원계 공융 반응(L→Sn+ Ag3Sn)을 통해 Ag3Sn 침전을 유발한다. 높은 Ag 합금에서 침전물은 1차 Sn 경계를 따라 더 넓은 네트워크 또는 밴드로 나타나는 경향이 있다[4],[5]. 일부 Ag3Sn platelet 모양은 대형 192CABGA 부품의 SAC405 합금 볼에서도 찾을 수 있으며, 대형 패키지와 솔더 볼을 사용하여 냉각 및 응고가 느려진 결과일 가능성이 크다. Ag3Sn 밴딩은 SAC305 및 SAC205 합금에서 덜 발견되지만 입자 밀도는 Ag 함량이 높은 SAC405보다 낮았다. 

 

 

Ag3Sn 석출 밀도는 SAC105 합금에서 가장 낮고 Ag3Sn 입자는 더 넓은 네트워크 또는 밴드보다 선형으로 배열된다. 더 적은 수의 Ag3Sn 입자를 갖는 것 외에도 SAC105는 더 많은 Cu6Sn5 금속간 석출을 포함한다는 점에서 더 높은 Ag 함량 합금과 다르다. 

기본적으로 특정 원소(때때로 도펀트라고도 함)가 미량 첨가된 Sn-Cu 이원계 합금인 SN100C에는 SAC305 솔더페이스트를 사용한 SMT 어셈블리에서 Ag3Sn 입자가 일부 포함되어 있다. iNEMI 프로젝트 팀의 계산에 따르면, SAC305 페이스트를 사용한 어셈블리는 192CABGA 솔더 볼에서 약 0.3wt%의 Ag 함량을 생성한다.[12] 게다가 어셈블리된 SN100C 솔더 볼에는 약간의 Au 기반 금속간 입자가 존재했다. 아마 Au의 소스는 BGA 부품 패드 표면 마감재이며, 이는 전해 Ni 도금을 대체하는 전해 Au 도금이다. 표준 SEM 및 EDS 기술의 공간 분해능(spatial resolution)의 한계로 인해 서브마이크론 크기의 Au 기반 금속간 입자의 구성 및 구조를 결정할 수 없었다. 유사한 Au 기반 입자가 존재할 수 있지만 다른 합금에서는 일반적으로 더 높은 Ag3Sn 입자 밀도로 인해 덜 명확하게 나왔다. 

그림 2와 그림 3에 표시된 84CTBGA 패키지의 미세 구조는 대형 192CTBGA 패키지의 미세 구조와 크게 달랐다. 이러한 합금의 Ag 함량 범위를 고려할 때 192CABGA에서 관찰된 것과 유사한 입자 밀도의 변화가 예상된다. 84CTBGA에서 Ag3Sn 침전 밀도는 SAC405, SAC305 및 SAC205에서 질적으로 유사해 보였다. 이는 이미지의 시각적인 비교가 가능하도록 질량적으로 생성된 인공물일 가능성이 더 크다. 입자 분포와 밀도를 특성화하기 위해 정량적 금속학이 필요하며 이는 이 작업의 범위를 벗어난다. SAC 합금의 더 작은 직경의 84CTBGA 볼에서 1차 Sn 셀 크기는 더 큰 직경의 192CABGA 볼에서의 Sn 셀 크기와 비교하여 훨씬 더 작다. 

‘스폴링(spalling)’ 현상이 84CTBGA 패키지에서 관찰되었다. SAC205 합금에서만 검출되었으며 84CTBGA 솔더볼 전체가 아닌 일부에서 발견되었다. 그림 2의 어두운 단계(84CTBGA, SAC205)는 BGA 패키지 패드 금속화 표면에서 재료가 분리되거나 부서지는 반응의 결과로 보인다. Snugovsky et al.는 이 반응을 연구했고 스폴링이라는 용어가 편리하지만 잘못된 특성화임을 지적했다. 그들의 분석에 따르면 스폴링은 실제로 금속화 인터페이스가 아니라 벌크 솔더의 응고 조건에서 발생한다. 이러한 응고 조건에는 Cu 및 Ni가 있는 상태에서 Sn 기반 솔더에서 준-포정 반응(quasi-peritectic reaction)을 촉진하는 특정 조성 조건이 포함된다.[16] 스폴링은 흔하지 않고 비정상적인 형태를 가지며 피로 균열이 전파되는 솔더 조인트 영역에 위치한다. 따라서 스폴링이 솔더 조인트의 성능에 영향을 미칠 수 있다는 일반적인 우려를 불러일으키는 점은 놀라운 일이 아니다. 그러나 이러한 스폴링 현상이 SAC 솔더의 고장 모드 또는 열 피로 수명에 영향을 미친다는 보고된 보고서는 없다.

192CABGA의 경우와 유사하게 SAC105 84CTBGA는 더 적은 수의 Ag3Sn 입자뿐만 아니라 더 많은 Cu6Sn5 금속간화합물 침전물(어두운 상)을 포함한다. Cu6Sn5의 존재는 Ag3Sn 입자가 SAC의 열 피로 저항에 영향을 미치는 주요 미세 구조 강화 메커니즘으로 인식되기 때문에 SAC 합금에서 중요한 신뢰성 요소로 간주되지 않는다.[4],[6],[8],[9],[11] Ag3Sn 입자에 비해 Cu6Sn5 입자의 수가 적고 무작위로 분포되어 있다. 솔더볼 부피가 작기 때문에 SAC305 페이스트로 작업하면 84CTBGA에서 약 0.8wt%의 Ag가 생성되는데, 이는 더 큰 직경의 192CABGA 솔더볼에서의 약 0.3wt.% 생성과 비교된다. 

 

      

열 순환 테스트 결과는 표 4와 표 5에 나와 있으며, 그림 4와 그림 5에서는 막대그래프로 요약되어 있다. 

열 사이클링 데이터에는 여러 가지 눈에 띄는 경향이 존재했으며, 일부에서는 일반적인 예상을 따르고 다른 일부는 예상과 상반되는 모습이 나왔다. 구체적인 비교를 하기 전에 이 연구의 데이터 세트 전반에 걸쳐 슬로브(β)의 변동이 있다는 점에 유의해야 하며 데이터 세트 간의 특성 수명 비교를 할 때 β 변동을 항상 고려해야 한다. 합금 비교는 실제 어셈블리된 모든 솔더 조성에서 이뤄졌으나, SAC305 솔더페이스트(84CTBGA에 더 적은 영향을 미치는)로 작업했기 때문에 SAC305 테스트 셀을 제외한 모든 실제 솔더 조성이 공칭 조성(nominal composition)에서 벗어났다는 점을 고려해야 한다.[12]

 

 

표 1에 표시된 페이스트 중량에서 알 수 있듯이 기존 스퀴지를 사용한 첫 번째 및 다섯 번째 프린팅은 예상보다 높은 결과를 보여주었다. 이러한 이상 현상은 더 큰 애피쳐에 추가적인 페이스트를 떨어뜨리면서 나타난 페이스트 흔적 때문일 수 있다.

 

 

이들 데이터에서 가장 분명한 트렌드는 84CTBGA가 192CABGA보다 30~40% 더 우수한 특성 수명을 가지며 공융 SnPb를 포함한 모든 합금에 걸쳐 있다는 점이다. 이는 양쪽 부품의 다이 대 패키지 비율이 유사하게 큰 경우에도 마찬가지이다(표 2 참조). 84CTBGA의 더 나은 신뢰성은 볼의 외행(outer row of ball)이 다이 섀도우 외부에 있는 반면, 다이 섀도우가 192CABGA의 외부 행 아래로 확장된다는 사실에 기인할 수 있다. 84CTBGA는 미세한 미세 구조(그림 2와 그림 3 참조)로 인한 2차 효과와 SAC305 페이스트를 더 작은 솔더 볼에 추가함으로써 파생된 Ag 함량 증가의 이점도 누릴 수 있다.

그림 4와 그림 5는 합금 Ag 함량이 감소함에 따라 192CABGA 및 84CTBGA 패키지의 특성 수명이 전반적으로 감소함을 보여주고 있다. 피로 수명과 Ag 함량 사이의 관계는 0~100℃ 사이클링에서 더 확실했고, -40~125℃ 사이클링에서는 덜했다.

0~100℃ 사이클링에서 SAC405 합금(4중량% Ag)을 적용한 두 패키지의 특성 수명은 SN100C에 비해 특성 수명의 약 2배이었다. SAC405와 SAC105의 특성 수명 차이는 192CABGA의 경우 20%, 84CTBGA의 경우 40%였다. 192CABGA의 낮은 Ag 함량 의존성은 이 패키지의 높은 변형 레벨로 인해 예측될 수도 있다.[4],[5],[6],[7],[8],[9]

-40~125℃ 테스트에서 Ag 함량에 대한 특성 수명의 의존성은 어느 BGA 패키지에서도 그다지 극적이지 않았다. SAC405는 여전히 SN100C보다 약 50% 더 안정적이지만 Ag 함량 수준이 감소함에 따라 신뢰성이 감소하는 것은 불분명했다. 사실, -40~125℃ 테스트에서 다양한 Sn 기반 Pb-free 합금 사이의 신뢰도에 최소한의 통계적 차이가 있다고 주장할 수 있다. 이 결과는 Lee와 Ma가 보고한 최근 결과를 고려하면 놀라운 일이 아니다. 그들은 고응력 테스트 구성을 사용하여 SAC305와 SAC105 사이의 성능 차이를 최소화했다.[17] 그들은 Ag 함량과 파티클 밀도가 더 이상 열 피로 수명을 제어하는 ​​주요 요인이 아니므로 테스트 조건에서 Ag3Sn 침전물 조대화(Ag3Sn precipitate coarsening)가 너무 빨리 생성했다고 결론지었다. -40~125℃ 사이클링에 대한 결과는 Lee 및 Ma의 가설과 일치했다. 이 가혹한 온도 주기는 가장 높은 변형률(ΔT)과 가장 높은 온도 극한값의 조합을 특징으로 하기 때문이다. 특성 수명(η)이 –40~125℃ 프로파일에서 Ag 함량에 민감하다는 관찰은 Henshall et al.의 발견과도 일치했다.[25]

-40~125℃ 데이터에서 예상치 못한 혹은 비정상적인 것으로 간주되는 한 가지 경향이 존재했다. 0~100℃ 사이클과 비교하여 –40~125℃는 예상보다 훨씬 빠르게 Pb-free 피로 파괴를 가속화한다. -40~125℃ 테스트에서는 빠른 파괴가 예상되지만, 이 사이클에서의 공칭 가속 계수는 대부분의 무연 테스트 셀에서의 0~100℃보다 거의 5배 빠르다. 에어리어 어레이 부품을 사용하는 이러한 2개의 열 사이클에 관해 직접적으로 비교한 문헌은 거의 없지만, 초기 작업을 기반으로 약 2~3.5의 더 낮은 가속 계수가 예상될 수 있다.[18],[25] 현재 연구에서 두 개의 부품 테스트 보드는 다이 대 패키지 비율이 매우 큰 CSP 패키지이며, 아마도 –40~125℃ 사이클링은 이전 테스트 결과에 기반을 둔 예상보다 이들 패키지를 더 빠르게 파괴한다. 

한편, 공융 Sn-37Pb의 데이터는 두 사이클 간의 가속도 차이가 약 2배이며, 이는 문헌[19], [25]의 결과를 통해 예상했던 수치이다. 표 4 및 표 5는 –40/125℃ 데이터의 슬로프(β) 값이 0/100℃ 데이터의 슬로프(β) 값보다 현저히 낮으며 이는 이러한 데이터를 해석할 때 고려해야 할 요소일 수 있음을 보여주고 있다. 

얼마 동안 공융 Sn-37Pb는 고변형 환경[20]에서 SAC를 능가해야 한다는 가설이 세워야만 했다. SN100C를 포함한 모든 Sn 기반 무연 합금은 양쪽 BGA 부품 모두가 고변형률 패키지로 여겼던 사실과 –40~125℃ 테스트가 고변형률 테스트 조건을 구현한다는 사실에도 불구하고 공융 Sn-37Pb보다 성능이 뛰어났다. 이러한 관찰은 이전 결과와 대체로 일치했다.[25]

 

      

솔더 조인트 열피로 파괴를 확인하고 문서화하기 위해 금속학적인 파괴 분석을 수행했다. 그림 6에서는 5개의 무연 솔더 합금과 SnPb 공융 합금으로 조립된 192CABGA 및 84CTBGA 솔더 조인트의 열 피로 균열 이미지를 보여주고 있다. 피로 손상은 일반적으로 192CABGA에서 더 크다. 해당 패키지의 최종 파괴를 넘어선 확장된 사이클링 때문이다. 예상한 대로 2개의 부품 모두 다이 섀도우에서 가장 큰 손상이 관찰되었다. 초기 파괴는 패키지 모서리나 다이 섀도우에서 발생한다고 예측했으나, 금속학적 분석으로는 확인할 수 없었다. 

무연 솔더 열피로 균열은 균열 분기, 재결정화 및 캐비테이션으로 설명되는 다양한 균열 경로 및 균열 특성이 특징이다. 이러한 무연 합금에서 관찰된 파괴 특성은 SAC 피로 파괴에서 일상적으로 볼 수 있으며 Dunford와 같은 연구자가 훨씬 이전에 보고한 것과 일치했다.[21] Sn-37Pb 솔더의 피로 균열은 Pb가 풍부한 상과 Sn이 풍부한 상 사이에서 전파된다. 

 

 

두 온도 사이클 양쪽 모두에서, SAC305 및 SAC105 솔더 조인트에 대한 제한된 양의 SEM 분석이 수행되었다. 그림 7과 그림 8의 전자현미경 사진은 합금과 부품 모두에서 피로 균열을 둘러싸고 있는 고변형 영역의 금속간 입자 조대화를 보여주고 있다. 변형률-강화 에이징(aging)은 온도 사이클링 동안 발생하고 입자 조대화를 가속화하고 피로 균열 전파를 촉진한다. 베이스라인 미세 구조는 두 온도 사이클링 테스트의 미세 구조와 비교된다. 두 온도 사이클 모두에서 피로 균열 주변의 변형 국부화 영역에는 Ag3Sn 입자가 거의 없었다. 열 사이클의 상당한 차이에도 불구하고 이들 영역에서 생성된 미세 구조는 매우 유사했다. 

이러한 예비 발견은 iNEMI Alloy 프로그램[22]의 다른 세그멘트에서 나온 데이터와 일치하는 것으로 보이며, Ag 함량이 Sn 기반 무연 솔더 합금 제품군의 열피로 신뢰성을 결정하는 가장 중요한 요소라는 가설을 뒷받침했다. 그러나 Sn 입자 형태와 등방성 Sn 입자의 방향이 피로 거동에 영향을 미칠 수 있다는 증거가 문헌에 있다.[23],[24] Sn 방향을 연구하고 특성화하려면 현재 연구의 범위를 벗어난 전문 분석 방법이 필요하다. 고급 분석 방법이 필요한 다른 합금에 대한 추가 파손 분석은 향후 연구보고서에서 제시할 것이다. 

 

    

-40~125℃와 0~100℃ 온도 사이클 사이의 큰 가속 차이를 이해하려면 추가 고장 분석 및 미세 구조 특성화가 권장된다. 전자 후방 산란 회절(EBSD)을 사용하는 편광 현미경(PLM) 및 방향 이미지 현미경(OIM)을 포함하여 미세 구조 특성화를 위한 전문 기술을 탐색할 수 있다. 확장된 열 순환은 이러한 기술 중 하나의 효과를 제한하는 샘플 손상을 일으킬 수 있다. 이 경우 기준 샘플에 대한 일부 고급 미세 구조 분석은 다양한 합금의 파손 거동과 관련된 통찰력을 제공할 수 있다.

 

 

 

가속 온도 사이클링 테스트에서는 가장 일반적으로 지정된 두 가지 온도 사이클인 0~100℃와 –40~125℃를 사용하여 여러 무연 솔더 합금의 열 사이클링 성능을 비교하는 데 사용되었다. 실험 테스트 매트릭스에는 2개의 서로 다른 부품 테스트용 보드, 5개의 서로 다른 Sn 기반 Pb-free 합금 그리고 공융 Sn-37Pb을 포함하였다. 본 연구의 결과에서 다음과 같은 관찰과 결론을 얻을 수 있다.

▶ 일반적으로 192CABGA와 84CTBGA 패키지의 특성 피로 수명은 합금에서 Ag 함량이 감소함에 따라 줄어든다. 피로 수명과 Ag 함량 간의 관계는 0~100℃ 사이클링 조건에서 매우 분명했지만, -40~125℃의 경우에는 불분명하게 나왔다. 

▶ 무연 솔더의 열피로 파괴는 -40~125℃ 사이클링 조건이 0~100℃ 사이클링에 비해 거의 5배 더 빨랐다. 

▶ Sn-37Pb의 데이터에서는 2개의 사이클링 간의 가속도 차이가 약 2배를 보였으며, 이는 참고문헌의 결과와 일치했다. 

▶ SN100C를 포함한 모든 Sn 기반 무연 합금은 Sn-37Pb 보다 성능이 뛰어났다. 이러한 발견은 Sn-37Pb 솔더가 고변형률 패키지에 사용되고, –40~125℃ 사이클과 같은 고변형률 조건에서 테스트될 때 Sn 기반 Pb-free 솔더보다 성능이 우수하다는 일반적인 가정과 모순되었다. 테스트 휴지 시간이 늘어나면 Sn-37Pb와 Pb-free 솔더 사이의 성능 차이가 줄어들 수도 있다. 이 iNEMI 합금 프로그램에 대한 테스트 매트릭스에는 더 긴 휴지 시간 테스트가 포함되며 해당 결과는 나중에 게시할 계획이다.    

 

 

 

 

REFERENCES

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