With legislation put in place by government and industrial bodies, electronic companies are driven to eliminate the use of lead in their products. Also, the decrease in size of consumer products such as cellular phones, PDAs, and palm size PCs has required much higher reliability in micro electronic packaging. However, reliability data of lead-free solders with PCB surface finishes such as Electroless Ni(P)(ENIG) and Cu OSP which are used most frequently world wide is not sufficient.
In the present study, compatibility of Sn-3.0Ag-0.5Cu (all in wt.% unless specified otherwise) solder with ENIG and Cu OSP finishes was extensively investigated by performing spreading, lap shear, bending and drop tests, and the results were compared to those of Sn-36.8Pb-0.4Ag solder.
Spreading test showed that Sn-3.0Ag-0.5Cu solder spread better on ENIG than on Cu OSP. Especially, Spreading property of Sn-3.0Ag-0.5Cu on Cu OSP was extremely poor and never spread even after 5reflows. That is, Cu OSP isn\'t adequate to the case which demands well-spread ability of lead-free solder.
For lap shear test, most of the test samples showed ductile fracture inside solders. However, for Sn-3.0Ag-0.5Cu solder with Cu OSP performed thermal aging, brittle fracture was observed due to lots of Kirkendall voids at the interface between Cu and $Cu_3Sn$ IMC
During the bending and drop tests, electrolytic Ni/Au(BGA) and ENIG(PCB) pair showed the best mechanical reliability for Sn-3.0Ag-0.5Cu lead-free solder. For Cu OSP, the formation of Kirkendall voids between Cu and Cu3Sn IMC after thermal aging deteriorated mechanical reliability severly. And the formation of $(Cu,Ni)_6Sn_5$ and $(Ni,Cu)_3Sn_4$ IMC after thermal aging would be the main mechanical reliability issue for electrolytic Ni/Au because of the very brittle property of the interface between the two IMCs. On the other hand, the use of Sn-36.8Pb-0.4Ag solder paste led to large amount of IMC spalling and degradation of bending and drop reliability in comparison to Sn-3.0Ag-0.5Cu solder where little amount of spalling was observed.
최근 환경 친화적인 문제로 인하여 정부와 산업체에서 납을 함유한 솔더의 사용을 규제하고 있다. 또한 휴대폰, PDA, palm size PC 등과 같은 전자제품의 사이즈가 계속 줄어듬에 따라 이에 대한 신뢰성 데이타가 더욱 요구되어 지고 있는 실정이다. 하지만 무연솔더와 PCB표면처리(특히, 무전해니켈과 Cu OPSP)에 따른 신뢰성 데이타가 매우 부족한 실정이다.
본 연구에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 무연솔더와 무전해니켈, Cu OSP표면처리간의 compatiability를 연구하기 위해 젖음성테스트, lap shear test, bending test, drop test를 시행하였으며 Sn-36.8Pb-0.4Ag솔더와 비교 분석하였다.
젖음성실험 결과 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더는 Cu OSP보다 무전해니켈에서 더욱 우수한 젖음성 특성을 보였으며 특히, 이 솔더는 Cu OSP에서 거의 퍼지지 않았으며 더욱이 열처리를 5번 reflow를 시행하였을 때에도 전혀 퍼지지 않았다. 즉, Cu OSP는 무연솔더를 사용했을 경우 젖음성특성이 요구되어 지는 공정에선 매우 부적합한 표면처리인 것을 알 수 있다.
lap shear test실험결과, 대부분은 솔더내부에서 연성파괴가 일어났지만 Sn-3.0Ag-0.5Cu를 Cu OSP에서 장시간 열처리를 하였을 경우 Cu와 $Cu_3Sn$ 사이의 수많은 Kirekendall void로 인해 계면에서 취성파괴가 일어나는 것을 확인하였다.
Bending, drop test결과 Sn-3.0Ag-0.5Cu 무연솔더를 전해Ni/Au(BGA), 무전해니켈(PCB)와 조합을 이루었을 때 가장 우수한 기계적인 특성을 보였다. Cu OSP의 경우, 장시간 열처리시 계면에서 Kirkendall void가 많이 생김으로 인해 상당히 취약한 특성을 보였다. 반면에, 전해Ni/Au의 경우 장시간 열처리를 하면 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 와 $(Ni,Cu)_3Sn_4$ 금속간화합물이 생김으로 인해 이 두 금속간화합물 사이에서 취성파괴가 일어나는 것을 확인하였다. 또한, Sn-36.8-0.4Ag 솔더의 경우 무전해니켈 층위에서 reflow시 금속간화합물의 spalling이 일어남으로 인해 취성파괴 양상을 나타내었다.
