There exists a plethora of creep data on Pb-free solder alloys these days. However, there are large discrepan-cies among creep data of Pb-free solder alloys, which often vary from two to three orders of magnitude for a solder of given composition under the same stress and temperature. Wide scatterings of creep data are thought to originate from two major sources; differences in the solder microstructure and the applied stress state. The former comes from varying solder volume and subsequent solidification rate, which determines the β-Sn granule size, volume fraction of β-Sn, and the size of intermetallic particles in the eutectic region. The latter is pretty much a mechanistic effect of multi-axial loading, in which creep deformation rate by shear is typically ~$10^2$ times larger than that by tension. Another factors which affect the creep rate to a minor degree are variations of the solder ball geometry and the dissolution of surface pad metals into solder during reflow or solid state ageing which varies the solder composition. In this work, effects of microstructure and solder ball geometry effects are investigated.
Effects of the solder ball geometry on the lap shear creep deformation were investigated using the 3-D FEM (Finite Element Method). The meridian of the solder ball before creep calculated using the energy principle was very close to the circular arc which was assumed for subsequent calculations. As the solder with a given volume and pad area varied its geometry from convex to concave, lap shear strain rates increased by 2-3 orders of magnitude, implying that the solder geometry effect must be taken into account for the accurate assessment of lap shear results. Finally, a simple method which can handle the solder geometry effect was proposed.
The role of β-Sn granular and particle size is particularly interesting as it is determined by the solidification rate of the solder from the melt. In the present work, creep tests were conducted under uniaxial tension by using the Sn-3.5Ag and Sn-0.7Cu-0.8Zn alloys with varying microstructures. The minimum strain rate ($\varepsilon$) showed $d^{1.8~ 2.5}$ dependence where d is the granular size of primary β-Sn. This is pretty much opposite to the grain size effect in creep where $\varepsilon$ showed inverse dependence ($D^{-1}$, $D^{-2}$, or etc.) on the grain size (D). While the inverse relationship comes from the matter transport in the bulk or along the grain boundary, it has no resemblance to the granular effect observed in solders. Here, primary β-Sn granule is surrounded by walls of creep resistant eutectic region which is a mixture of β-Sn and precipitates.
최근에 무연솔더의 크리프 변형에 대한 연구가 많은 연구진행되고 있다. 그러나 연구된 많은 데이터간에는 큰 불일치가 존재하는 것이 사실이다. 같은 응력조건과 같은 온도라 할지라도 약 100~1000배까지 차이가 나는 경우도 있다. 이러한 크리프 결과간의 큰 궤리의 원인은 크게 두가지로 생각할 수 있는데, 솔더의 미세구조차이와 응력 상태의 차이가 바로 그것이다. 솔더의 미세구조차이는 솔더의 부피와 응고속도로 인하여 발생하는데, 솔더내의 β-Sn granule의 크기 β-Sn 의 부피 분율, 그리고 eutectic region내의 석출물의 크기와 간격이 달라지게 된다. 후자는 다축 로딩의 기계적인 효과인데 일반적으로 일축인장보다 전단 응력의 경우 크리프 변형율이 약 100배정도 크다. 크리프 변형율에 영향을 주는 또 다른 효과는 솔더볼의 형상과 리플로우 공정이나 고체 aging시에 솔더내로 용융되는 것이 있으며, 이러한 효과도 크리프 변형율에 어느 정도 영향을 미친다. 본 연구에서는 미세구조와 솔더볼의 형상이 크리프 변형에 미치는 영향에 관하여 연구를 하였다. 전단 크리프 변형에서 솔더볼의 형상의 영향은 3차원 유한요소 해석(FEM)을 이용하여 연구하였다. 에너지 원리에 의해 계산된 크리프 전의 솔더볼의 형태는 거의 구의 일부라고 가정을해도 무방하였다. 일정한 부피와 패드 면적을 가진 솔더볼의 형상이 솔더 조인트의 높이에 따라 convex형태에서 concave형태로 변화하게 되며, 전단 크리프 변형율은 2~3 order의 크기로 변화하게된다. 이는 lap shear 실험을 할 경우 솔더볼의 형상의 영향을 고려하여야 한다는 것을 의미한다. 마지막으로 유한요소 해석을 거치지 않고 솔더볼 형상의 영향을 알 수 있는 간단한 방법을 제시하였다. β-Sn granule과 석출물의 크기의 역할은 용융상태에서의 응고속도로 결정되기에 매우 흥미롭다. 본 연구에서는 Sn-3.5Ag와 Sn-0.7Cu-0.8Zn 합금의 일출 인장 크리프 실험을 미세구조를 변화시켜가면서 하였다. 최소크리프 변형율은 primary β-Sn의 직경에 1.8~2.5의 승의 관계가 있는데 이는 기존의 grain 크기에 대하여 크리프 변형율이 -1이나 -2의 승에 비례한다는 결과와는 상반된 결과이다. 이는 일반적인 금속의 grain은 grain 끼리 접합해 있지만 솔더의 primary β-Sn granule은 eutectic region으로 둘러싸인 형태이기 때문이다.
