In service, an electronic package is subjected to thermal cycling fatigue corresponding to power on/off and cyclic environmental temperature changes during transportation or storage. Solder joints, which provide mechanical support as well as electrical connections, have long been used in electronic packaging applications. The microstructure evolution of solder alloy has become known as a major factor influencing the mechanical behavior of solder joints. Thus, it is important to study the effect of microstructure changes on the thermal fatigue of a solder joint induced by temperature changes.
In this study, the thermal fatigue reliability of two solder alloys, eutectic 63Sn37Pb solder and lead-free 95.5Sn4.0Ag0.5Cu solder, was examined. In order to attain different microstructures, the cooling rate during the reflow process was controlled obtaining a fast cool and a slow cool. For the thermal fatigue test, four test specimens were prepared, 63Sn37Pb fast cooled and slow cooled and 95.5Sn4.0Ag0.5Cu fast cooled and slow cooled.
The results of the thermal cycling test from -40°C to 125°C show that 63Sn37Pb specimens reflowed with a slow cooling rate have a longer life than the specimens reflowed with a fast cooling rate. In contrast, for lead-free 95.5Sn4.0Ag0.5Cu solder, a fast cooled specimen has longer life than a slow cooled specimen.
To verify the relationship between microstructure development and thermal fatigue reliability, the cross sections of specimens that underwent 0, 500 and 1000 thermal cycles, as well as failed specimens, were inspected with SEM. The composition of IMC (intermetallic compound) and phases in the solder alloy were analyzed with EDX. Before the microstructure inspection, finite element analysis was performed to determine the primary failure mechanism and most vulnerable solder joint to be investigated with SEM.
전자 패키지에서 전기적, 기계적 연결 재료로 널리 사용되는 소더 조인트 (solder joint)의 신뢰성은 소더 재료의 미세구조의 변화에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 왔다. 본 연구에서는 리플로 과정 중 냉각 속도 변화를 통한 미세구조의 변화와 이러한 변화가 열적 신뢰성에 미치는 영향에 대한 실험을 수행 하였다.
유연소더 재료인 63Sn37Pb와 무연소더 재료인 95.5Sn4.0Ag0.5Cu의 두 가지 재료를 이용하여 63Sn37Pb 느린 냉각, 63Sn37Pb 빠른 냉각 그리고 95.5Sn4.0Ag0.5Cu 느린 냉각, 95.5Sn4.0Ag0.5Cu 빠른 냉각의 4가지 실험 시편을 만들어 주고, 열 챔버를 이용하여 -40°C에서 125°C의 사이클을 가하며 열 피로 실험을 수행하였다. 그 결과 63Sn37Pb 재료의 경우에는 느린 냉각을 한 시편이 빠른 냉각을 한 시편보다 더 긴 수명을 나타내었고, 95.5Sn4.0Ag0.5Cu 재료의 경우에는 이와 반대로 빠른 냉각을 한 시편이 더 긴 수명을 보였다. 냉각 속도로 인한 미세 구조의 변화와 열 피로을 겪는 소더 조인트의 신뢰성과의 관계를 규명하기 열 피로를 받는 전자 패키지에 대해 유한 요소 해석을 수행하고 소더 조인트의 주요 변형기구 (deformation mechanism)에 대해 알아보았다.
유한 요소 해석의 결과로부터 두 가지 소더 재료 모두에서 크리프가 주요 변형기구였음을 확인할 수 있었다. 미세 구조의 변화를 주사전자현미경(SEM)으로 분석함으로써 크리프 변형에 미세구조의 변화가 미치는 영향에 대해 관찰해 보았다.
63Sn37Pb의 경우에는 느린 냉각의 시편이 온도 사이클이 진행함에 따라 더 큰Sn-rich phase와Pb-rich phase를 형성하는 것을 확인하였다. 이를 토대로 느린 냉각의 경우 고온에서 주요 크리프 변형 중 하나인 grain boundary sliding이 더디게 되어 수명이 길어지는 것으로 추측된다.
95.5Sn4.0Ag0.5Cu의 경우에는 63Sn37Pb와는 달리 금속간 화합물의 형성이 활발히 일어나는 것이 관찰되었다. 이러한 금속간 화합물은 grain boundary sliding 중에 미세 균열의 진원이 되기도 하는데 느린 냉각의 경우 소더볼 내부와 응력이 집중되는 소더볼과 구리 패드 사이에서 더 크고 두꺼운 금속간 화합물을 형성하는 것을 관찰하였다. 따라서, 이러한 금속간 화합물의 영향으로 느린 냉각의 경우 열 피로 수명이 짧아지는 것으로 보인다.
