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53

Sn-Ag-Cu-In-(Mn, Pd) 무연솔더의 솔더링성과 BGA 접합부 신뢰성

장재원1·유아미1·이종현2·이창우1·김준기1,†

1한국생산기술연구원 용접접합기술센터/마이크로조이닝센터2서울과학기술대학교 신소재공학과

Solderability and BGA Joint Reliability of Sn-Ag-Cu-In-(Mn, Pd) Pb-free Solders

Jae-Won Jang1, A-Mi Yu1, Jong-Hyun Lee2, Chang-Woo Lee1 and Jun-Ki Kim1,†

1Advanced Welding & Joining Technology Center, KITECH, Incheon, Korea2Department of Materials Science & Engineering, Seoul National University of Science & Technology

(2013년 9월 4일 투고: 2013년 9월 24일 수정: 2013년 9월 27일 게재확정)

초 록: Sn-3.0Ag-0.5Cu 무연솔더에서 Ag 함량의 감소는 기계적 충격 신뢰성 향상에 도움이 되는 반면 솔더링성을

저하시키는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 저 Ag함유 무연솔더의 솔더링성 향상을 위해 In을 첨가한 Sn-1.2Ag-

0.7Cu-0.4In 4원계 조성과 여기에 미량의 Mn 및 Pd을 첨가한 무연솔더 조성에 대하여 솔더 젖음성을 평가하고, 보드 레

벨 BGA 패키지의 열싸이클링 및 기계적 충격 신뢰성을 평가하였다. Sn-1.2Ag-0.7Cu 조성에 0.4 wt% In을 첨가한 합금

의 젖음성은 Sn-3.0Ag-0.5Cu에 근접한 수준으로 향상되었으나, 패키지의 열싸이클링 신뢰성은 Sn-3.0Ag-0.5Cu에 미치

지 못하는 것으로 나타났다. Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 조성에 0.03 wt% Pd의 첨가는 솔더 젖음성 및 패키지 신뢰성을 저하

시킨 반면에 0.1 wt% Mn을 첨가한 합금은 특히 기계적 충격 신뢰성이 Sn-3.0Ag-0.5Cu는 물론 Sn-1.0Ag-0.5Cu보다도

우수한 수준으로 향상되었는데, 이는 Mn 첨가가 합금의 모듈러스를 감소시킨 데에 기인하는 것으로 생각된다.

Abstract: Although the lowering of Ag content in Sn-3.0Ag-0.5Cu is known to improve the mechanical shock reliability

of the solder joint, it is also known to be detrimental to the solderbility. In this study, the quaternary alloying effect of

In and the minor alloying effects of Mn and Pd on the solderability, thermal cycling and mechanical shock reliabilities

of the low Ag content Sn-1.2Ag-0.7Cu solder were investigated using board-level BGA packages. The solderability of

Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In was proved to be comparable to that of Sn-3.0Ag-0.5Cu but its thermal cycling reliability was

inferior to that of Sn-3.0Ag-0.5Cu. While the 0.03 wt% Pd addition to the Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In decreased the

solderability and reliabilities of solder joint, the 0.1 wt% Mn addition was proved to be beneficial especially for the

mechanical shock reliability compared to those of Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-1.0Ag-0.5Cu compositions. It was considered

to be due that the Mn addition decreased the Young’s modulus of low Ag content Pb-free solders.

Keywords: Pb-free solder, alloying effect, solderability, mechanical shock reliability, board level BGA package

1. 서 론

전자기기 산업에서 접합소재의 무연화가 진행되면서

많은 무연솔더 합금조성이 제안되었다. 그 중에서 Sn-

3.0Ag-0.5Cu 조성(SAC305)은 기존 유연솔더에 비해 34oC

정도 융점이 높지만 젖음성(wettability), 기계적 강도, 접합

부 신뢰성 등이 양호하여 현재 무연 전자기기에서 가장

널리 사용되고 있다.1-3)

최근 전자산업의 주력제품인 스마트폰, 태블릿 PC 등

모바일기기에도 SAC305 조성이 주로 사용되고 있는데,

SAC305는 접합부 미세조직에 취성이 큰 Ag3Sn 상이 다

량 석출되어 기계적 충격에 대한 신뢰성이 취약한 것으

로 보고되고 있다.4)

SAC305 무연솔더에서 3.0 wt%의 Ag는 공정조성에 가

까운 합금을 형성하고 솔더 젖음성을 향상시키는 역할을

한다.5-6) 이러한 Ag 함량의 감소는 접합부에서 Ag3Sn 상

의 형성을 감소시켜 기계적 충격 신뢰성을 향상시키는 것

으로 알려져 있지만 젖음성과 열싸이클링(thermal cycling)

신뢰성은 저하되는 것으로 보고되고 있다.7-9)

Sn-Ag-Cu계에서 Ag 함량을 감소시킨 합금 조성으로는

†Corresponding authorE-mail: jkim@kitech.re.kr

© 2013, The Korean Microelectronics and Packaging Society

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work isproperly cited.

54 장재원·유아미·이종현·이창우·김준기

마이크로전자 및 패키징학회지 제20권 제3호 (2013)

Sn-1.0Ag-0.5Cu(SAC105)와 Sn-0.3Ag-0.7Cu(SAC0307)이

대표적이다. 두 조성은 SAC305에 비해 저렴하고 기계적

충격 신뢰성이 우수하지만 솔더 젖음성이 좋지 않아 이

를 해결하기 위해 합금원소를 미량 첨가하는 등의 연구

가 진행되어 왔다.10-11)

본 연구에서는 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 합금 조성12)에 대

하여 In 첨가가 솔더의 젖음성과 접합부 열싸이클링 및 기

계적 충격 신뢰성에 미치는 영향을 SAC305 및 SAC105와

비교하여 조사하였으며, 접합부 신뢰성 향상을 위하여

0.1 wt% Mn 및 0.03 wt% Pd 의 첨가효과를 조사하였다.

2. 실험방법

2.1 무연 솔더볼 제조

본 연구에 사용된 무연솔더 합금조성과 녹는점을 Table

1에 나타내었다. 솔더는 삼화비철(Samhwa Non-Ferrous

Metal Ind. Co., Ltd.)에서 바(bar) 형태로 주조한 후 덕산하

이메탈(DUKSAN HI-METAL Co., Ltd.)에서 직경 450 µm

의 솔더볼로 제조하였다. 녹는점은 TA사의 Q-100 시차주

사열량계(differential scanning calorimetry, DSC)를 사용하

여 온도 상승 시 열류량의 변화 시작점으로써 측정하였다.

2.2 BGA 패키지 모듈 제조

8×8 mm 치수의 BGA 칩패키지(chip package)는 Topline

사에서 제공받았으며, 0.8 mm 피치(pitch)로 8×8 어레이

(array) 패드(pad)가 형성된 구조였다. 패드는 SMD(solder

mask defined) 타입이며, ENIG로 표면처리되었다. PCB는

FR-4 재질로130×30×1(t) mm의 치수였으며, NSND(none-

solder mask defined) 타입의 패드를 OSP/Cu로 마감하였

다. 보드 레벨에서의 신뢰성 테스트를 위해 Fig. 1과 같은

데이지 체인을 형성하였으며 리플로우 공정으로 BGA 패

키지를 실장한 모듈을 제조하였다. 리플로우 솔더링시 사

용된 솔더 페이스트는 SAC305 조성의 ALPHA OM-

340(Cookcon Electronics) 제품이었다.

2.3 젖음성 시험

솔더의 젖음성은 솔더링 공정성을 결정하는 가장 중요

한 인자 중 하나이다.13) 본 연구에 사용된 무연 솔더들의

융점은 215oC~217oC로 거의 유사한 것으로 확인됨에 따라

리플로우 프로파일상 피크(peak) 온도인 248oC와 240 oC,

230oC에서의 젖음성을 측정, 비교하였다.

젖음성 시험은 JIS(Japanese Industrial Standard) Z 3198-

4 규격14)에 따라 젖음성 측정장비인 SP-2(Malcomtech

International Inc.)를 사용하여 Fig. 2에 나타낸 것과 같이

wetting balance 테스트를 실시하였다. 시험편은 3×10 mm

의 Cu를 사용하였으며, 수용성 플럭스(WF6063M5, Senju

Metal)을 도포하여 용융 솔더에 장입하였다.

2.3 열싸이클링 신뢰성 시험

솔더 접합부의 열피로 특성은 패키지와 보드 재료간의

열팽창계수 차이에 의한 응력 발생에 대한 솔더 재료의

기계적 거동에 따라 결정되는 것으로 보고되고 있다.15)

즉, Sn-Ag-Cu계 무연솔더 조성들의 열팽창계수는 거의

유사한 것으로 알려져 있어 솔더 접합부의 열피로 특성

의 차이는 조성별 미세조직 및 기계적 특성 차이가 주원

인으로 고려된다.16-17)

솔더 접합부의 조성별 열피로 특성을 평가하기 위하여

JESD22 A104D 시험조건 G18) 규격에 따라 VT 7012

S2(VOTCH) 장비를 사용하여 열싸이클링 시험을 실시하

였다. -40oC~125oC의 고온과 저온에서 각각 15분씩 유지

하였으며, 총 5000회까지 열싸이클링을 수행하였다. 이때

데이지 체인의 초기 저항 대비 1.2배 이상의 저항 값이

측정되는 시점을 고장기준으로 설정하였다.

2.4 기계적 충격 신뢰성 시험

솔더 접합부의 기계적 충격 신뢰성은 일반적으로 보드

레벨(board-level) 낙하시험으로 평가되고 있다. 낙하충격에

의해 보드가 급격히 휘어지고, 이에 따라 솔더 접합부에는

순간 인장응력이 가해진다. 이러한 낙하시험에서는 금속

간화합물(intermetallic compound, IMC) 인근의 솔더 영역에

서 취성파괴가 주로 발생하는 것으로 보고되고 있다.19-20)

Fig. 3에 본 연구에서 사용된 기계적 충격 신뢰성 시험

Table 1. Solder alloy compositions and their melting temperature.

AlloyMelting

temperature(oC)

Sn-3.0Ag-0.5Cu SAC305 217.52

Sn-1.0Ag-0.5Cu SAC105 217.53

Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In SAC-In 215.58

Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In-0.1Mn SAC-InMn 216.02

Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In-0.03Pd SAC-InPd 215.70

Fig. 1. Daisy-chain schematics; a) top view of the board and b)

bottom view of the BGA package.

Fig. 2. Schematic view of the wetting balance test.

Sn-Ag-Cu-In-(Mn, Pd) 무연솔더의 솔더링성과 BGA 접합부 신뢰성 55

J. Microelectron. Packag. Soc. Vol. 20, No. 3 (2013)

의 모식도를 나타내었다. 이는 JEDEC의 board level drop

test(JESD22 B113)21)와 달리 고정된 보드에 30 g 추를 일

정 높이에서 낙하시켜 일정한 변위를 반복적으로 가하는

방식으로 설계하였다. 패키지의 고장기준은 샘플링속도

50 kHz에서 100 Ω 이상의 저항이 연속된 5회 중에 3회 이

상 검출되는 것으로 설정하였다.

2.5 솔더 인장시험

무연솔더 합금조성의 기계적 특성이 솔더 접합부의 신뢰

성에 미치는 영향을 조사하기 위해 Fig. 4에 나타낸 규격

으로 시편을 제작하여 인장시험을 수행하였다. 인장시

험에 사용된 장비는 Instron 4481이었으며 시험속도는

10-2 s-1(7.8 mm/min)이었다.

3. 결과 및 고찰

3.1 솔더 젖음성

무연솔더 조성들의 온도별 젖음성 결과를 Fig. 5에 나

타내었다. Fig. 5의 세로축은 Cu 장입 후 2초가 지난 후

에 측정된 젖음력(wetting force) 값이다. 0.4 wt% In을 첨

가한 SAC-In 조성은 SAC305에 근접한 우수한 젖음력을

나타내었다. 이는 In의 첨가가 저Ag 함유 솔더의 젖음성

향상에 크게 기여했음을 의미한다.11) SAC-In 조성에 Mn

및 Pd을 첨가했을 경우에서는 젖음력이 다소 저하되는

결과가 관찰되었지만 저Ag 함유 무연솔더인 SAC105보

다는 여전히 높은 젖음력을 유지하는 것을 알 수 있었다.

3.2 열싸이클링 신뢰성

솔더 조성별 BGA 패키지 모듈 접합부의 열싸이클링

신뢰성 시험 결과를 Fig. 6에 나타내었다. Weibull plot에

서 형상모수(shape parameter)는 Weibull plot의 기울기에

관련되는 값으로 그 값이 클수록 오차범위가 적다. 또한

척도모수(scale parameter)는 Weibull plot에서 63.2%의 누

적고장률에 해당하는 시험횟수를 의미한다.22,23) Fig. 6에

서 보면 SAC305 조성이 가장 큰 척도모수와 형상모수를

나타내어 다른 저Ag 솔더들에 비해 우수한 열싸이클링

신뢰성을 가지는 것을 알 수 있었다. 반면에 Ag의 함량

을 1.0 wt% 수준으로 감소시킨 상태에서 In 및 Mn, Pd 원

소들의 첨가시킨 경우는 SAC105에 비해 솔더 접합부의

열싸이클링 신뢰성에 눈에 띄는 차이를 나타내지 않는 것

으로 관찰되었다.

Terashima 등17)은 Sn-Ag-Cu계 솔더의 경우 Ag 함량이

높을수록 미세 Ag3Sn 석출상들의 분율이 증가하여

Orowan 효과에 의한 강도 향상으로 열싸이클링 신뢰성

이 증가되는 것으로 보고하였다. 각 솔더 조성의 인장거

동을 나타낸 Table 2를 보면 Pd 첨가를 제외한 저Ag 합

금의 인장강도가 SAC305에 비해 현저히 낮은 것을 알 수

있는데, 이는 Terashima의 보고와 잘 일치하는 결과이다.

한편 Pd 첨가 저Ag 합금의 경우 비교적 높은 인장강도

를 가지고 있으나 열싸이클링 신뢰성에는 별다른 기여를

하지 못하는 것으로 나타났다. 또한 Fig. 6의 Weibull plot

Fig. 3. Schematic view of the mechanical shock test.

Fig. 4. Specimen dimension for the tensile test.

Fig. 5. Results of wetting balance tests.

Fig. 6. Weibull plots of temperature cycling reliability test results.

56 장재원·유아미·이종현·이창우·김준기

마이크로전자 및 패키징학회지 제20권 제3호 (2013)

에서 높은 초기 불량률을 보이며 싸이클링 증가에 따라

그 기울기가 변화되는 거동을 보이는 것으로 보아 다른

솔더 조성과는 다른 원인과 파단기구가 작용하는 것으로

파악되었다.

3.3 기계적 충격 신뢰성

솔더 조성별 패키지 접합부의 기계적 충격 신뢰성 시

험결과를 Fig. 7에 나타내었다. 그래프에서 X축은 추의

낙하횟수이며, Y축은 누적고장률을 나타낸다. Fig. 7에서

SAC305 조성의 경우 다른 솔더조성에 비해 기계적 충격

신뢰성이 낮은 것을 볼 수 있는데 이는 일반적으로 알려

진 바와 같이 취성이 큰 Ag3Sn 상이 다량 형성된 결과로

생각된다.4) 또한 SAC-In 조성과 SAC-InPd 조성의 경우

척도모수는 SAC305에 비해 크지만 형상모수가 매우 작

기 때문에 SAC305에 비해 기계적 충격 신뢰성이 향상되

었다고 확신하기는 어려웠다.

반면 SAC105와 SAC-InMn 조성은 SAC305와 유사하

거나 훨씬 큰 형상모수를 가지면서 월등히 큰 척도모수

를 나타내어 SAC305에 비해 현저히 우수한 기계적 충격

신뢰성을 보이는 것으로 나타났다. Ganesh 등4, 24-26)에 의

하면 Sn-Ag-Cu계 솔더에서 Ag의 함량이 낮아질수록 인

장강도와 모듈러스는 감소하는 경향을 보이며, 솔더의 모

듈러스가 낮을수록 충격흡수능력이 향상되어 기계적 충

격 신뢰성이 향상되는 것으로 보고한 바 있다. Table 2에

서 보면 Mn 첨가 조성의 모듈러스값이 가장 낮은 것을

볼 수 있는데, 따라서 Mn 첨가 합금이 가장 우수한 기계

적 충격 신뢰성을 보이는 가장 큰 원인으로 Mn 첨가 합

금의 낮은 모듈러스값 특성을 고려할 수 있었다.

한편 기계적 충격 신뢰성 시험 후 고장난 시편에 대한

파단면 관찰 결과 대부분의 솔더 조성은 금속간화합물층

인근의 솔더영역에서 크랙이 전파된 것을 확인할 수 있

었던 반면에 Pd 첨가의 경우 일부 시험시편에서 Fig. 8에

나타낸 바와 같이 금속간화합물층에서 크랙이 전파된 현

상이 관찰되었다.27) 이는 Table 2에서 Pd 첨가 솔더의 경

우 모듈러스값이 현저히 높은 것으로 보아 다른 솔더 조

성에 비해 솔더의 기계적 충격흡수능력이 낮은 데에 기

인하는 것으로 생각된다.

4. 결 론

저Ag 함유 무연솔더의 솔더링성 향상을 위해 In을 첨

가한 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 4원계 조성과 여기에 미량의

Mn 및 Pd을 첨가한 무연솔더 조성에 대하여 솔더 젖음

성과 열싸이클링 및 기계적 충격 신뢰성에 미치는 영향

을 조사하였다.

Sn-1.2Ag-0.7Cu 조성에 0.4 wt% In을 첨가한 합금의 젖음

성은 Sn-3.0Ag-0.5Cu에 근접한 수준으로 향상되었으며,

Mn과 Pd의 첨가는 합금의 젖음성을 다소 저하시켰으나

SAC105에 비해서는 여전히 우수한 젖음성을 유지하는 것

으로 판단되었다.

Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In을 비롯한 저Ag 함유 솔더들의

Table 2. Tensile properties of solder alloys.

Yield strength (MPa) UTS (MPa) Final elongation (%) Young's modulus (GPa)

SAC305 57.344 62.032 63.877 51.15

SAC105 27.996 32.379 73.272 32.73

Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 38.523 42.059 71.886 37.50

Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In-0.1Mn 26.603 35.483 28.581 23.58

Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In-0.03Pd 53.063 57.380 56.043 77.46

Fig. 7. Weibull plots of mechanical shock reliability test results.

Fig. 8. SEM image of SAC-InPd solder joint cross-section after

mechanical shock reliability test.

Sn-Ag-Cu-In-(Mn, Pd) 무연솔더의 솔더링성과 BGA 접합부 신뢰성 57

J. Microelectron. Packag. Soc. Vol. 20, No. 3 (2013)

BGA 모듈 패키지 열싸이클링 신뢰성은 Sn-3.0Ag-0.5Cu

에 미치지 못하는 것으로 나타났는데, 이는 합금원소의

첨가가 솔더의 강도 증가에 별다른 기여를 하지 못한 결

과로 생각된다.

기계적 충격 신뢰성에 있어서 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 조

성에 0.1 wt% Mn을 첨가한 합금은 Sn-3.0Ag-0.5Cu는 물

론 Sn-1.0Ag-0.5Cu보다도 월등히 우수한 신뢰성을 보였

는데 이는 Mn의 첨가가 합금의 모듈러스를 감소시킨 데

에 기인하는 것으로 생각된다.

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