1. 서 론
리튬이온 배터리(Li-ion battery, LIB)는 높은 에너지 밀도와 긴 수명으로 인하여 다양한 전자기기 및 전기차에서 널리 사용되고 있는 배터리 기술이다. 그러나 기존 리튬이온 배터리는 액체 전해질로 이루어져 있으며, 이 전해질은 인화성이 강한 유기 용매로 구성되어 외부 충격이나 과충전, 내부 단락 (short circuit) 등이 발생하면 열 폭주 (runaway)가 일어나 발화 및 폭발 가능성을 보유하고 있기에 안정성의 문제와 연관되어 있다1,2). 따라서, 기존의 리튬이온 배터리의 한계를 해결할 차세대 대안으로 적층 세라믹 전지 (multi-layer ceramic battery, MLCB)가 주목받고 있다2). 전고체전지 (All-Solid-State Battery) MLCB는 액체 전해질 대신 고체 세라믹 전해질을 사용하면서 여러 층을 적층하여 경박단소화된 패키지 형태로 배터리를 구현한 전자부품의 일종이다. 불연성 특징을 가져 높은 열적 안전성을 제공하며, 발화의 주원인인 유기 액체전해질이 없어 폭발의 위험을 제거할 수 있다. 또한, 기존 리튬 이온전지에서 각 셀마다 적용되었던 패키지 공정이 제거되고 다수의 단일 셀들을 하나의 고전압 스택으로 적층되기 때문에 배터리 팩의 부피를 줄이고 부피용량을 증가시킬 수 있다. 이러한 MLCB는 소형화된 형태의 배터리이기 때문에 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스, loT, 의료기기 등 다양한 산업에서 리튬이온 배터리의 대체재로 각광받고 있다1,2). 그러나 각종 전자기기 및 전자모듈에 적용하기 위해서는 MLCB를 패키지화 하여야 한다. 이를 통해 외부 충격, 진동 등으로부터 MLCB를 보호하여 신뢰성을 높일 수 있으며 습기와 먼지 같은 외부 환경에 의한 성능 저하를 방지할 수 있다3,4). MLCB 패키지를 구현하기 위해서 MLCB 전자부품을 패키지 기판에 실장하기 위한 접합 공정기술이 필요하지만 이에 대한 연구는 부족한 실정이다. 인쇄회로기판 (printed circuit board, PCB) MLCB의 열팽창 계수 (coefficient of thermal expansion, CTE) 차이는 기존의 적층 세라믹 커패시터(multi-layer ceramic capacitor, MLCC) 보다 커서 공정에서 가열 및 냉각 시, 균열 또는 층간 박리 같은 신뢰성 문제가 발생할 수 있기 때문에 기존의 MLCC 대비하여 MLCB 실장을 위한 새로운 공정 개발이 필요하다. 또한, MLCB는 보다 높은 전류와 접압 환경에서 사용될 가능성이 크기에 실장 후 솔더 접합부 신뢰성을 기존 MLCC 보다 높게 요구될 수 있으며 새로운 공정을 통해 내구성을 개선할 필요가 있다. 따라서, MLCB는 기존 MLCC와 기본 원리는 유사하다 할 수 있지만 크기, 내부 및 전극 형성 재료 등에 따른 열 피로 특성 차이를 유발할 수 있으므로 기존 공정을 그대로 적용할 경우 신뢰성 문제가 야기될 수 있다. 그러므로, MLCB 부품의 적용을 위한 접합 방법과 조건을 비교하여 최적의 실장 방법을 찾을 필요가 있다5-7).
따라서, 본 연구에서는 표면실장기술(surface mount technology, SMT) 공정을 사용하여 무연 솔더 페이스트를 PCB에 도포 후 MLCB 전자부품을 레이저 및 열풍을 열원으로 하여 솔더링 접합을 하였다5,8). 접합 공정 후, scanning electron microscope (SEM)과 energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), 표면 분석 장비 (optical microscope, OM) 등을 사용하여 접합부의 보이드(void)와 필렛(fillet) 형상 등의 특성들을 분석하였으며 접합 공정에 따른 접합부의 특성을 비교하였다.
2. 실험방법
본 연구에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305)와 Sn- 57Bi-1Ag의 두 가지 무연 솔더 페이스트를 사용하였으며 Fig. 1은 본 실험에서 사용된 MLCB 전자 부품 실장용 기판이다. MLCB 전자 부품 실장 및 접합을 위한 기판은 electroless nickel immersion gold (ENIG) 표면 처리와 organic solderability preservative (OSP) 표면처리가 된 flame retardant-4 (FR-4) PCB를 사용하였다.
MLCB 접합부 형성을 위한 접합 공정의 모식도를 Fig. 2에 나타내었다. 표면실장공정에서 스크린 프린터를 (Minami, MK-878MX) 이용하여 PCB 기판에 솔더 페이스트를 도포하였으며 이때, 스텐실 마스크 두께는 150, 200 ㎛로 선정하였다. SMT 공정으로 MLCB 전자부품을 실장 후, 패키지와 기판을 접합하기 위해 리플로우 오븐 (1809UL, Heller)과 파이버 레이저 레이저 장비 (CW fiber lasers, IPG Photonics, USA)를 이용하여 솔더링 공정을 진행하였다. Table 1과 2는 다양한 조건에서의 리플로우와 레이저 솔더링에 대한 시편 제작 표이다. 리플로우 공정 온도에 대한 온도 프로파일은 pre-heat, wetting, soldering, cooling 4가지 구간으로 나누어졌으며 peak temperature는 약 260 ℃로 설정되어 접합이 이루어졌다. 한편, 레이저 접합 공정은 다양한 레이저 공정 조건에 따른 접합부의 특성을 관찰하고자 다양한 레이저 파워와 공정 시간에 변수를 두고 접합을 진행하였다. 기판의 표면처리와 스텐실 마스크 두께 등에 따라 접합 여부가 달라지기에 접합이 가능한 최적 조건들을 선정하여 레이저 파워는 120~160 W, 레이저 조사 시간은 5~10 s의 범위에서 레이저 빔 사이즈 8 × 8 mm2 아래에서 접합이 이루어졌다.
Table 1
Conditions of the reflow soldering
| Sample No. | Surface treatment | Stencil mask thickness (μm) | Solder paste |
|---|---|---|---|
| R1 | ENIG | 150 | SAC305 |
| R2 | Sn-57Bi-1Ag | ||
| R3 | 200 | SAC305 | |
| R4 | Sn-57Bi-1Ag | ||
| R5 | OSP | 150 | Sn-57Bi-1Ag |
| R6 | 200 | SAC305 | |
| R7 | Sn-57Bi-1Ag |
Table 2
Conditions of the laser soldering
리플로우 및 레이저 솔더링 공정 후에, 다양한 공정 변수들을 통해 접합 공정에 따른 MLCB 패키지의 접합부 특성을 비교 분석하고자 하였다. 한편, 공정 후 솔더 접합부에 함유된 플러스 (flux) 잔사를 제거하기 위해 초음파 세척기를 이용하여 isopropyl alcohol (IPA)의 용액에 5분 동안 de-flux 공정을 진행하였다. MLCB 패키지의 분석을 위해 SEM(Inspect F, FEI Co., USA)과 EDS(Superdry, Themo Noran Co., USA)를 이용하여 전해질(electrolyte)과 내부 전극(inner electrode)를 관찰하였다. MLCB 패키지와 기판의 접합부 보이드 분석을 위하여 2D X-ray inspection system(H160, XAVIS, Korea)를 사용하여 보이드를 관찰하였으며 그에 따른 각 조건별 분율도 측정하였다. 또한, 솔더가 전자 부품과 PCB 패드 사이에 솔더링이 잘 되었는지 확인을 위해 OM을 사용하여 접합부의 fillet 형상을 분석하였다.
3. 결과 및 토의
Fig. 3은 MLCB 전자부품의 모식도와 치수를 나타낸 그림이며 MLCB 전자부품에 대한 단면 분석한 결과를 나타냈다. 내부 전극인 도전체는 Cu로 이루어져 있으며 고체전해질은 Li을 기본으로 하여 Li, Ti, P로, active layer (AL)은 Li, V, P로 구성되어 있다1,2). 고체전해질은 리튬이온을 이동시키는 역할을 하는 고체 상태의 물질로 안전성이 높고, 고온에서도 안정적이다. Active layer는 전극(active material, 활성 물질)과 고체전해질이 포함된 층으로 배터리에서 전기화학 반응이 일어나는 핵심 영역으로, 리튬 이온이 저장되고 방출되는 배터리의 성능을 결정하는 요소이다.
Fig. 4에 리플로우와 레이저 솔더링 후에 조건별로 MLCB 패키지를 X-ray로 비교 분석한 결과를 나타내었다. Fig. 4 (a)에서와 같이 리플로우 솔더링에서 큰 보이드가 많이 관찰되었으며5) Fig. 4 (b)의 레이저 솔더링 분석 결과에서는 보이드의 크기는 작은 것을 확인 할 수 있었다. 그러나, 리플로우 공정과 비교하였을 때 MLCB 전자부품과 기판 사이에 솔더링이 잘 이루어지지 않아 부품 근처에서 젖지 않은 솔더가 다량 관찰되었다. 또한, Sn-57Bi-1Ag 솔더 페이스트 사용 시, SAC305 솔더와 비교하여 접합 후에 솔더볼 불량 현상이 더 발생하였으며 특히 L2-2와 L4-3의 조건이 솔더링이 잘되지 않았음을 확인할 수 있었다. 따라서, 저융점 특성으로 인해 온도 제어나 플럭스 조합이 적절하지 않으면 SAC305 솔더보다 솔더볼 불량이 쉽게 발생한 것으로 생각된다9). 이러한 결과는 기존의 multi-layer ceramic capacitor (MLCC)의 접합 공정을 연구한 결과와 유사한 것으로 판단되었다8).
Fig. 4
X-ray images at the bonding joints of (a) representative results, (b) reflow soldering and (c) laser soldering between MLCBs and substrates
한편, MLCB 전자부품과 기판의 pad가 접합된 부분에서 관찰된 보이드를 기준으로 분율을 측정한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5의 보이드의 분율은 Fig. 4의 X-ray 분석 결과를 기반으로 측정한 값이다. Fig. 5 (a) 에서와 같이 리플로우 솔더링 공정에서는 R1의 조건이 가장 낮은 보이드 분율을 나타내었으며, R7의 조건에서 가장 높은 보이드 분율을 나타내었다. 이는 ENIG 표면처리가 OSP와 비교하여 솔더링이 더 잘 되며10) SAC305 무연 솔더 페이스트가 Sn-Bi계에 비해 퍼짐성 및 젖음성이 우수하기 때문이라고11) 판단된다. 그리고, Fig. 5 (b) 레이저 솔더링에서는 L2-3, L3-1, L3-3, L6-3의 조건에서 10 % 이상의 보이드 분율이 측정된 반면에, L1-1, L4-1의 조건에서 1.8 %로 가장 적은 보이드 분율이 측정되었다. Fig. 5 (a)와 (b)의 결과를 볼 때, 레이저 솔더링이 리플로우 솔더링과 비교하여 작은 보이드 분율을 나타냄을 확인 할 수 있었다. 리플로우 솔더링은 예열, 리플로우, 냉각 단계를 거쳐서 전체적으로 서서히 가열되고 냉각되어 상대적으로 속도가 느리기 때문에 액상 상태에서 가스가 빠져나오는 시간이 부족할 수 있다. 그러나 레이저 솔더링은 매우 빠르게 국소적으로 가열되며, 순간적으로 용융되기 때문에 가스가 빠르게 배출되어 보이드가 덜 형성되어 상대적으로 더 낮은 보이드 분율을 나타낸 것으로 추측된다. 다만, 공정 조건 및 소재 변경 실험을 통한 추가 분석이 필요할 것으로 생각된다. 보이드는 솔더링 과정에서 솔더 내부 또는 접합부에 형성된 미세한 공극을 의미하기에 보이드가 많을수록 기계적 강도 약화, 전기적 성능 저하 및 열팽창 (Coeffi- cient of Thermal Expansion, CTE mismatch)으로 인한 크랙 (crack) 발생 위험이 증가하여 장기적으로 신뢰성을 약화시킬 수 있다5,7,12). 따라서, 보이드를 줄이기 위한 최적화된 조건이 필요하다.
Fig. 6과 7은 OM을 이용하여 리플로우 및 레이저 솔더링 공정 조건 별로 MLCB 패키지의 외관을 위, 왼쪽, 오른쪽 방향에서 분석한 결과이다. 솔더링 방법에 관계없이, 스테실 마스크 두께 150 ㎛로 제작된 조건의 시편들이 200 ㎛으로 제작된 조건의 시편들과 비교하여 fillet이 잘 형성되지 않았으며 150 ㎛의 두께는 fillet을 형성하기에는 솔더의 양이 부족한 것으로 판단되었다. 솔더 접합부에서 fillet은 솔더가 부품 리드와 PCB 패드 사이에 형성하는 둥근 모양의 연결부를 의미한다. Fillet은 솔더 접합부의 기계적 강도를 증가시켜 부품이 PCB에 단단히 고정되도록 해주며 적절한 fillet이 형성되면 열팽창 차이로 인한 응력을 분산시켜 접합부의 균열이나 파손을 방지할 수 있다. 즉, fillet은 전자기기의 신뢰성을 높이는 중요한 요소 중 하나이기 때문에 올바른 fillet 형성을 위해 적절한 솔더량과 접합 온도 및 시간 조절 등 다양한 변수들의 최적화가 필요하다5,7).
리플로우와 레이저 솔더링 공정 조건에 따라 MLCB 패키지의 보이드와 fillet 형상을 좀 더 정밀히 관찰하고 crack의 여부를 확인하기 위해 단면 가공 후 OM으로 분석한 결과를 Fig. 8과 9에 나타내었다. MLCB 내부와 접합부에서 crack은 발견되지 않았으며 일부 조건에서 소량의 보이드가 관찰되기도 하였으나, R3과 R7, L-1-3과 L-3-1의 조건에서 큰 사이즈의 보이드가 관찰되어 이는 장기적으로 볼 때 접합부 또는 MLCB 내부로 이어지는 crack이 발생하여 신뢰성을 저하 일으킬 수 있는 우려가 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 앞선 MLCB 외곽 데이터와 함께 분석할 때 150 ㎛ 두께의 스텐실 마스크가 200 ㎛ 두께의 스텐실 마스크와 비교하여 MLCB 외벽을 타고 fillet 형성이 덜 된 것을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
SMT 공정을 사용하여 다양한 솔더 페이스트와 표면처리가 된 기판에 MLCB 전자부품을 실장하여 레이저 및 리플로우 솔더링 접합을 진행하였다. 그 후, 접합부의 보이드와 fillet 형상 등의 특성들을 분석하여 공정 조건에 따른 접합부의 특성을 비교, 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 솔더 페이스트의 도포 두께를 150 ㎛에서 200 ㎛로 증가시키면, 충분한 솔더 양 때문에 fillet이 전극에 균일하게 형성되었다.
2) Sn-57Bi-1Ag 솔더 페이스트 사용 시, SAC305 솔더와 비교하여 접합 후에 솔더볼 불량 현상이 발생하였다.
3) ENIG 표면처리 기판의 젖음성은 OSP 표면처리 된 기판보다 우수하였다.
4) ENIG 표면처리 된 기판을 사용하고 SAC305 솔더를 200 ㎛의 두께로 프린트하여 레이저 솔더링 공정을 진행하였을 때, 보이드의 양도 적고 fillet 형성도 잘 이루어졌기에 가장 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
5) L3-2의 조건이 비교적 낮은 보이드 분율과 적절한 fillet이 형성되어 본 실험에서 가장 최적의 조건이라고 판단되었다.
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