[SMT/PCB KOREA 2002]기술 세미나-전자 디바이스 실장 경향과 접합부의 신뢰성

◆신영의 중앙대 기계공학부 교수

지금까지 전자 패키지 접합에 사용되어 온 Sn/37Pb 공정 솔더는 낮은 용융온도와 우수한 물리적 특성, 저렴한 가격 등으로 널리 사용되었다. 그러나 납의 독성으로 인한 환경문제와 인체 유해성이 문제화되면서 이를 대체할 무연 솔더의 요구가 시급한 실정이다. 또한 제품의 소형화에 따른 접합부의 미세화로 인한 접합부 신뢰성이 요구된다.

　솔더 접합부 형상 예측법에는 Truncated Sphere법, 힘-평형 해석법(force-balanced analytical method), 켄 브라케(Ken Brakke)에 의해 개발된 서피스 이볼버(Surface Evolver) 등이 있다. 이상의 형상 예측법 중 본 연구에서는 Truncated Sphere법과 서피스 이볼버를 사용해 μBGA 솔더 접합부의 형상을 예측하고 결과를 비교했다.

　그 결과 Truncated Sphere법과 서피스 이볼버가 제시하는 두가지의 형상은 아주 작은 오차를 두고 거의 일치함을 확인했다. 또한 형상 예측법이 제시한 형상의 신뢰성을 검증하기 위해 FEA(Finite Element Analysis) 프로그램인 ANSYS(version5.62)를 이용해 대상 형상에 열 사이클 시험을 실시했다. 해석 결과 형상 예측법이 제시한 형상이 임의 오차를 가한 다른 형상에 비해 가장 좋은 신뢰성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

　또한 현재 Sn-37Pb 솔더를 실장해 제품에 사용되는 48μ BGA에 무연 솔더를 적용해 효처리에 의한 재료거동과 FEA를 이용한 열피로 수명을 평가해 솔더 접합부의 장기 신뢰성을 검토했으며, 새로운 수명평가방법을 제시했다. 시효처리조건은 Sn-37Pb와 두 무연 솔더인 Sn-3.5Ag-0.75Cu, Sn-2.0Ag-0.5Cu-2.0Bi에 모두 시효온도를 각각 130도, 150도, 170도로 했으며, 각 온도마다 300, 600, 900시간 동안 시효처리했다.

　이렇게 시효조건을 적용해 솔더 접합부의 초기 접합강도와 시효처리에 따른 시효강도를 전단실험을 통해 측정했다. 이와 함께 유한요소해석을 통해 Sn-37Pb, Sn-3.5Ag, Sn-3.5Ag-0.7Cu, Sn-3.5Ag-3.0In-0.5Bi의 솔더재질별 온도범위 233∼393K(K:절대온도단위), 253∼373K, 293∼373K 등 세가지 열사이클을 3회씩 가해 솔더 접합부 계면에 집중된 응력과 변형률의 분포를 살펴보고 각 솔더의 열피로 수명을 비교했다.