Intermetallic Compounds and Mechanical Property of Sn-Cu-xCr/Cu Solder Joint by Multiple reflows Conditions

동열 유; 준혁 손; 용호 고; 창우 이; 정환 방

doi:10.5781/JWJ.2018.36.2.4

Abstract

In this study, a new lead-free solder, Sn-0.7Cu-0.2Cr (wt.%) alloy, was developed. The mother alloy of Sn- 0.7Cu-0.2Cr solder, which has melting temperature of about 231°, was fabricated and then made by 300 um solder balls. To evaluate the thermo-mechanical reliability of the new solder alloy for automobile electronics, multiple reflows test was performed. As a result of the microstructure analysis, grain size increased with increasing reflow test. And microstructure of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder was finest. It was also confirmed that the microstructure of Sn-0.7Cu-0.2Cr solder was finer than Sn-0.7Cu solder by Cr addition. The IMC thickness results show that the presence of Cr in solder inhibits the growth of interfacial Cu₆Sn₅ layer and Cu₃Sn layer. Specifically, the shear strength of the Sn-0.7Cu-0.2Cr/Cu solder joints increases by 9% and 22% than that of Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-0.7Cu solder joints after 10 reflows test at 1m/s shear speed. And brittle fracture rate (%) of Sn-0.7Cu-0.2Cr was lower than Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-0.7Cu solder after 10 reflows test at 1m/s shear speed.

Key words: Multiple reflows, Microstructure, IMC thickness, High speed shear test, Brittle fracture

1. 서 론

자동차 산업 분야에서 ELV (End of Life Vehicle) 환경 규제로 인하여 자동차 전장품에 Pb를 포함한 4대 중금속의 사용이 제한되고 있다¹^-²⁾. 열충격 및 진동 조건에 상대적으로 노출이 적은 자동차 실내 전장품은 Sn- 3.0Ag-0.5Cu 무연 솔더로 대체하고 있다. Table 1과 같이 자동차 엔진 및 미션 주변의 전장부품은 일반 가전부품에 비해 주행시 최대 155°의 고온 환경 및 열 충격, 최대 20G의 고진동등 가혹한 환경에 노출되며, 최소 15년 이상의 장기 신뢰성이 요구되고 있다³^-⁵⁾.

Table 1

Environment of automotive electronics

Parameter	Consumer	Industrial	Automotive
Temperature	0 ° C ∼ +40 ° C	-10 ° C ∼ +70 ° C	-40 ° C ∼ +155 ° C
Operation time	1∼3 years	5∼10 years	up to 15 years
Tolerated failure rates	3 %	<<1 %	target: zero failure
Supply	up to 2 years	up to 5 years	up to 30 years

솔더 접합 소재 측면에서 자동차 전장부품에 사용 가능한 솔더 후보군으로 Sn-Zn계, Sn-Al계, Sn-Ni계, Sn-Au계, Sn-Bi계, Sn-Ag-Cu계 등이 있다. 하지만 Sn-Zn계 솔더와 Sn-Al계 솔더, Sn-Ni계 솔더는 산화 특성으로 인한 젖음성 문제를 야기하며, Sn-Au계 솔더는 가격으로 인해 사용에 어려움을 가지고 있다⁶^-⁷⁾. Sn-Bi계 솔더는 취성 및 기계적 특성 문제로 인해 사용이 제한되고 있다⁸⁾. 또한, 현재 실내 자동차 전장 부품 용으로 사용되고 있는 217° 융점의 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더는 고온 영역이 증가됨에 따라 고온 강도 및 Creep 특성이 저하되는 문제로 엔진 룸 및 미션 주변의 전장부품용 솔더 대체에 어려움을 가지고 있다⁹⁾.

본 연구에서는 융점 230° 이상을 갖는 친환경 Sn- 0.7Cu-0.2Cr 솔더합금을 설계하여, 모합금 및 솔더볼을 제작하였다. 기계적 특성평가로는 전단강도 (Ball shear test) 및 리플로우 횟수에 따른 접합부 특성을 평가하였다.

2. 실험 방법

2.1 시편 제작

본 연구에 사용 한 솔더 합금은 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305), Sn-0.7Cu (SC07), Sn-0.7Cu-0.2Cr (SC- Cr)이며, 300 um 솔더볼을 사용하였다. PCB (Printed Circuit Board)의 금속 패턴은 OSP (organic soldera- bility preservative) Cu이며, 개구부 크기는 약 230 um, 두께는 약 20 um로 제작하였다. 그 후, Cu 패턴 위에 플럭스를 소량 도포하여 솔더볼을 접합하였다. 솔더볼이 실장된 PCB를 최대 10회까지 반복 리플로우를 진행한 후, 솔더 내부 및 접합계면의 변화, 고속전단강도를 평가하였다. 각 조성의 리플로우 온도 조건을 Table 2에 나타내었다.

Table 2

Reflow conditions of each solder

Solder	Pre-heating time (s)	Duration time above melting temperature (s)	Peak reflow temperature (° C)
Sn-3.0Ag-0.5Cu	107	53	250
Sn-0.7Cu	73	47	255
Sn-0.7Cu-0.2Cr	73	47	260.5

2.2 Multiple reflows에 따른 접합부 및 솔더 내부분석

리플로우 횟수에 따른 금속간화합물 (Intermetallic Compounds, IMC) 및 미세구조의 변화를 관찰하기 위해 시편을 에폭시 수지로 몰딩하였다. 그 후, 단면을 연마지와 알루미나 파우더를 사용하여 기계적 연마를 실시하였다. 접합부 계면 및 솔더 내 미세구조를 관찰하기 위해 에칭액 (95 vol% C₂H₅OH+3 vol% HNO₃+ 2 vol% HCl)을 사용하여 에칭하였다. 연마된 시편은 주사전자현미경 (Field Emission Scanning Electron Micro- scope, FE-SEM) 및 EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy)을 사용하여 관찰하였다.

2.3 Multiple reflows에 따른 고속전단강도 측정 및 파단면 분석

리플로우 횟수에 따른 접합강도를 측정하기 위해 전단강도 시험기 (DAGE-BT4000)를 사용하여 접합강도를 측정하였다. 전단 속도는 0.01 m/s, 0.1 m/s, 1 m/s로 설정하였고, 전단 높이는 50 um로 설정하였다¹⁰⁾. 전단강도 시험 후, 파단면을 주사전자현미경 및 EDS를 사용하여 분석하였다. 그 후, 파단면을 연성파괴, 연성 파괴와 취성 파괴가 혼합된 혼합파괴, 취성파괴로 분류하여 파괴유형(fracture mode)을 분석하였다. 전단강도 측정 모식도를 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1

Schematic diagram of high-speed shear test

3. 결과 및 고찰

3.1 Multiple reflows에 따른 솔더 계면 분석

리플로우 횟수에 따른 접합부 IMC의 변화 이미지를 Fig. 2에 나타내었다. SAC305 솔더의 총 IMC는 가장 많이 성장하였고, SC-Cr의 총 IMC가 가장 적게 성장하였다. 리플로우 3회 이상의 모든 솔더에서 Cu₆Sn₅ IMC와 Cu 사이에 얇은 Cu₃Sn IMC가 관찰되었다. 10회 리플로우에서 SC07 솔더의 Cu₃Sn IMC가 가장 두껍게 성장하였고 Cr이 첨가된 솔더가 가장 적게 성장하였다. 이전의 연구에서, Cr의 첨가가 Sn-Ag-Bi-Cr 합금에 대해 Cr의 Sn에 대한 고용도가 없음을 고려해 보면, 결정립계 혹은 계면 근처에 존재하는 Cr이 금속간화합물의 형성 및 이동을 방해한 것으로 보고되고 있다¹¹^-¹³⁾. 리플로우 횟수에 따른 총 IMC 및 Cu₃Sn IMC의 두께 변화 그래프를 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 2

Interfacial microstructures of the Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu, Sn-0.7Cu/Cu and Sn-0.7Cu-0.2Cr/Cu joints after multiple reflows

Fig. 3

Plot of the thickness of IMC after multiple reflows

3.2 Multiple reflows에 따른 솔더 내부 분석

리플로우 횟수에 따른 솔더 내부 이미지 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 솔더 내부 미세구조는 리플로우 횟수가 증가함에 따라 조대화되며, SC07 솔더의 미세구조가 가장 크게 관찰되었다. SAC305 솔더는 Ag₃Sn IMC 분산의 영향으로 크기가 가장 미세하게 관찰되었다. 또한 SC-Cr 솔더의 내부 미세구조는 SC07에 비해 모든 조건에서 미세하게 관찰되었다. 이전 연구에 따르면, Sn- 3.0Ag-0.5Cu 솔더에 0.05 wt. % Cr이 첨가됨에 따라 초기 및 고온시효 후에 솔더 내부 구조가 미세화된다고 보고하고 있다¹³^-¹⁵⁾.

Fig. 4

Microstructures of the Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu, (b) Sn-0.7Cu/Cu and (c) Sn-0.7Cu-0.2Cr/Cu solder joints after multiple reflows

3.3 Multiple reflows에 따른 접합강도

솔더 접합부의 전단 강도는 솔더 내부 미세 구조와 접합 계면에 따라 달라진다¹⁴⁾. 이전 연구에 따르면, 전단 속도를 달리한 전단 시험 결과에 따르면 전단강도는 전단 속도가 증가함에 따라 증가하였다. 저속 전단 시험에서는 솔더 내부의 변형을 통해 응력이 해소되기 때문에 접합 강도는 솔더 내부 강도와 더 관련된다. 또한, 고속 전단 시험에서는 솔더 내부의 급격한 변형으로 인해 접합부 계면에 큰 응력이 축적되어 전단 강도가 접합계면과 더 관련이 있다고 보고되고 있다¹⁶^-¹⁷⁾. 리플로우 10회까지 진행한 샘플의 전단 속도에 따른 접합강도 그래프를 Fig. 5에 나타내었다. 상대적으로 저속인 0.01 m/s 속도에서의 접합강도는 솔더 미세구조가 가장 미세한 SAC305 솔더에서 가장 높게 나타났고, 솔더 미세 구조가 가장 조대한 SC07 솔더의 접합강도가 가장 낮게 나타났으며, 모든 솔더에서 연성 파괴가 일어났다. 또한, 1 m/s 속도에서 SC-Cr 솔더의 접합강도가 가장 높게 나타났으며, SC07의 접합강도가 가장 낮게 측정되었다. 이는 리플로우 횟수가 증가할수록 SC-Cr 솔더의 Cu₆Sn₅ IMC 및 Cu₃Sn IMC의 성장이 가장 적었고, scallop-type을 잘 유지하고 있어 고속전단 시험에서 강도가 가장 높게 나타난 것으로 사료된다.

Fig. 5

Shear strength of solder joints under various shear speeds and multiple reflows

리플로우 횟수 및 전단 속도에 따른 파단면 이미지를 Fig. 6에 나타내었다. 전단 속도 및 리플로우 횟수가 증가할수록 취성파괴가 많이 발생하였다. 또한 Cu₃Sn IMC가 가장 두껍고, layer type으로 변화가 가장 많은 SC07 솔더의 취성파괴가 가장 높았고 총 IMC 및 Cu₃Sn IMC가 성장하지 않고 scallop-type을 잘 유지되고 있는 SC-Cr 솔더의 취성 파괴가 상대적으로 낮게 관찰되었다. 전단강도 속도 및 리플로우 횟수에 따른 취성파괴 그래프를 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 6

Fracture surfaces of the solder joints under various shear speeds and multiple reflows

Fig. 7

Statistic of fracture mode of solder joins under various shear speeds and multiple reflows

4. 결 론

본 연구에서는 자동차 전장용 접합소재로 SAC305, SC07과 같은 상용 솔더와 신규 개발된 SC-Cr 솔더를 적용한 시험 쿠폰을 제작하여 multiple reflows 실험을 통한 특성평가를 진행하였다. 리플로우 횟수에 따른 솔더 내부와 IMC layer 변화를 관찰하였고, 전단 속도에 따른 접합강도 및 취성파괴 유형을 분석하였다. 그 결과, 아래 1-5까지의 실험 결과를 도출하였으며, 이를 통해 자동차 전장용 접합소재 적용가능성을 확인하였다.

1) 리플로우 10회 후, Cu₃Sn IMC는 SC07가 가장 많이 성장하였고, SC-Cr 솔더의 총 IMC 및 Cu₃Sn IMC가 가장 적게 성장하였다.
2) 리플로우 10회 후, 솔더 내부 구조는 SC07 솔더가 가장 조대하였고, Cr이 첨가된 SC-Cr 솔더가 상대적으로 미세하게 관찰되었다.
3) 저속 전단강도시험은 모든 솔더에서 솔더 내부파괴가 관찰되었으며, SAC305 솔더가 SC07 및 SC-Cr 솔더에 비해 내부구조가 미세하고 Ag3Sn 분산강화로 인해 가장 높게 측정되었다. SC07 솔더와 SC-Cr 솔더의 접합강도는 유사하게 나타났다.
4) 고속 전단시험에서는 리플로우 횟수에 따른 총 IMC 및 Cu₃Sn IMC 성장이 가장 적고 scallop-type을 잘 유지하고 있는 SC-Cr 솔더의 접합강도가 가장 높게 측정되었다.
5) 취성 파괴율 측정 결과, 저속에서는 대부분 연성파괴가 관찰되었고, 접합강도 속도가 증가할수록 접합강도 및 취성파괴율이 증가하였다. 또한, multiple reflows 후 Cu₃Sn IMC의 성장이 많은 SC07 솔더의 취성 파괴가 가장 높았고, 총 IMC 및 Cu₃Sn IMC의 성장이 가장 적은 SC-Cr 솔더의 취성파괴율이 가장 낮게 측정되었다.

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