Sn whiskers have been extensively studied since 1950s. Consequently, many research have been reported for the growth mechanism of Sn whisker growth and the mitigation method for Sn whisker growth. However, the growth mechanisms of Sn whiskers are not yet fully understood. And more studies are still needed to establish mitigation strategies for the Sn whisker growth. In addition, addition of Pb neither became unable to use for the mitigation method of Sn whisker growth because use of Pb is restricted legally due to its harmful health effects and environmental concerns. To make matters worse, Sn whiskers were observed at automobiles involving rapid acceleration accidents. Therefore, it is urgent matters to establish mitigation strategies for the Sn whisker growth in Pb-free electronics, although many studies have been reported. Therefore, this study included three main objectives as followed: 1) Optimum mitigation method for Sn whisker growth on electroplated Sn-rich films using plating variables, storage conditions, and Ag addition. 2) Evaluation the behavior of deformation-induced Sn whisker growth on plastically deformed matte Sn films. And proposing the growth mechanism of deformation-induced Sn whisker growth. 3) Optimum mitigation method for deformation-induced Sn whisker growth on Sn-rich films used in connectors using storage conditions and Ag addition. Finally, optimum strategies for mitigation of Sn whisker growth are suggested in Pb-free electronics.
In Chapter 2, commercially available electroplated matte Sn, matte Sn-Ag, and bright Sn-Ag baths (of low-whisker formulations) are investigated to establish Sn whisker mitigation strategies for Sn-rich surface finishes. The effect of current density and plating thickness on Sn whisker growth is examined. And the effect of storage conditions are also investigated; ambient (30℃
, dry air) and high-temperature/high-humidity [55℃, 85% relative humidity (RH)] conditions. In addition, addition of Ag is investigated for the Sn whisker growth mitigation, and then, Sn whisker mitigation mechanism with Ag addition is proposed. Finally, optimum mitigation method is suggested for the Sn whisker growth in electroplated Sn-rich surface finishes.
In Chapter 3, Sn whiskers on the plastically deformed Sn-rich films are investigated to understand their growth behavior before establishing mitigation strategies for Sn-rich films used in connectors. Therefore, external pressures are applied on the surface of matte Sn films using microhardness indenter. The effects of plastic deformation on Sn whisker growth are investigated and compared with a results, which examined the behavior of Sn whisker growth on non-deformed Sn films, from Chapter 1. In addition, the density, length, and kinetics of the Sn whiskers on plastically deformed regions are investigated for various plating thicknesses and electroplating current densities to examine the effect of these variables on the mitigation of deformation-induced Sn whiskers. The microstructures of Sn whiskers and deformed Sn films are also evaluated. Finally, a growth mechanism for deformation-induced Sn whiskers is proposed.
In Chapter 4, plastically deformed matte Sn, matte Sn-Ag, and bright Sn-Ag films are investigated to establish Sn whisker mitigation strategies for Sn-rich films used in connectors. Sn whisker growth effectively suppressed by Ag addition, and high-temperature/high-humidity storage condition in electroplated Sn-rich surface finishes, which are results from chapter 1. Thus, in chapter 4, the effect of Ag addition and storage conditions are investigated to establish deformation-induced Sn whisker mitigation strategies for Sn-rich films used in connectors.
In Chapter 5, Adding Be (which has a small atomic radius) to Sn-based Pb-free solders consequently restrains the inter-diffusion and reduces the compressive stress and may also help to suppress the growth of Sn whiskers. Thus, the effect of Be addition on the Sn whisker growth are investigated for Sn based Pb-free solders. Be doped or not Sn based solders are stored four different storage conditions; as received, after 1000 cycles of a temperature cycling range of -55 to +80℃, after 1000 h of storage at a temperature of 80℃ and a relative humidity of 90%, and after 12 months of storage in uncontrolled ambient conditions (temperature: 20-25℃; relative humidity: 40-70%).
전자 부품 내에서 자발적으로 성장하여 단락을 일으키는 Sn 휘스커는 1950년부터 지속적으로 연구되어 왔다. 그 결과, Sn 휘스커 성장 메커니즘과 Sn 휘스커 성장 억제에 대한 많은 연구가 보고되어왔다. 하지만, 아직까지도 Sn 휘스커 성장 메커니즘은 명확하게 설명되지 못하고 있고 Sn 휘스커 성장 억제에 대한 더 많은 연구가 필요한 상황이다. 게다가, 납의 인체 유해함과 환경적인 문제 때문에 납을 이용한 Sn 휘스커 성장 억제 방법을 사용하지 못하게 되었다. 이러한 납의 사용이 금지되면서 최근에는 급발진 사고가 발생한 자동차 부품 내에서 Sn 휘스커가 관찰되었다. 따라서, 무연화 전자부품에서 Sn 휘스커 성장 억제책을 확립하는 것은 매우 중요한 이슈가 되었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 박사학위에서는 다음과 같은 연구를 진행하였다. 1) 도금 변수, 보관 조건, Ag 첨가를 이용하여 일반적인 전해도금 Sn 필름에서 Sn 휘스커 성장 억제책에 대한 연구. 2) 소성 변형된 Sn 필름에서 발생하는 Sn 휘스커의 성장 거동을 분석하고 변형에 의한 Sn 휘스커 성장 메커니즘 제시. 3) 보관 조건과 Ag 첨가를 이용하여 커넥터에서 사용하는 Sn 필름에서 발생하는 변형에 의한 Sn 휘스커 성장 억제책에 대한 연구. 이와 같은 연구를 통해 무연화 전자 부품에서 최적의 Sn 휘스커 성장 억제책을 제시하고자 한다. 각 장의 요약문은 아래와 같다.
2장에서는 일반적인 도금표면에서 발생하는 Sn 휘스커 성장 억제책을 알아보기 위하여 시판되는 무광택 Sn, 무광택 Sn-Ag, 광택 Sn-Ag 도금액을 사용하였다. 그리고 이를 이용하여 전류 밀도, 도금 두께, 보관 조건과 Ag 첨가가 Sn 휘스커 성장에 미치는 영향을 분석하였다. Sn 과 Sn-Ag 필름은 10, 25, 75, 150 $mA/cm^2$ 전류 밀도를 이용하여 2 μm 의 얇은 두께와 10 μm 의 두꺼운 두께로 전해도금을 하였다. 각각의 필름들은 JEDEC 기준에 따라 ambient 조건 (30°C, dry air) 과 고온 다습한 조건 [55°C, 85% relative humidity (RH)] 에서 보관하였다. 그 결과, 도금 두께와 전류 밀도에 관계없이 ambient 조건에서 4000 시간 동안 보관한 무광택 Sn 필름에서 Sn 휘스커가 관찰되었다. 전류밀도가 Sn 휘스커 성장에 미치는 영향은 매우 적었고, 도금 두께가 증가할수록 Sn 휘스커의 밀도가 감소하고 Sn 휘스커의 길이는 증가하였다. 하지만, ambient 조건에서 보관한 무광택 Sn 필름에서 발생한 휘스커의 밀도와 길이가 JEDEC 에서 정한 기준을 만족하지 못하였다. 그러나, 무광택 Sn 을 고온 다습한 조건에서 보관한 경우, 랜덤하게 성장하는 Cu6Sn5 계면화합물과 두껍게 성장한 표면 산화막 때문에 Sn 휘스커 성장이 효과적으로 억제되었다. 게다가, Ag 를 첨가 함에 따라 무광택 Sn-Ag 와 광택 Sn-Ag 모두 Sn whisker 가 전혀 성장하지 않았다. 이러한 이유는, 무광택 Sn-Ag 의 경우 Ag 가 첨가됨에 따라 등방형 입자 구조를 가지게 되어 Sn 휘스커 성장에 필요한 압축응력이 쉽게 해소되기 때문이고 광택 Sn-Ag 의 경우 입계에 존재하는 Ag3Sn 화합물이 Sn 휘스커 성장에 필요한 Sn 의 확산을 효과적으로 억제하기 때문이다. 따라서, 일반적인 도금 표면에서 Sn 휘스커 성장을 억제하는 방법으로 도금 변수를 바꾸는 것은 크게 효과 적이지 못하지만, 보관 조건에 따라 Sn 휘스커 성장을 억제할 수 있다. 그리고 무엇보다도 Ag 를 첨가함에 따라 광택, 무광택 Sn-Ag 모두에서 Sn 휘스커 성장을 억제할 수 있다.
3장에서는 변형에 의한 Sn 휘스커의 성장 거동을 이해하기 위하여 소성 변형된 무광택 Sn 필름을 관찰하였다. 그리고 소성 변형이 Sn 휘스커 성장에 미치는 영향도 분석하였다. 또한, 도금 두께와 전류 밀도가 변형에 의한 Sn 휘스커 성장 억제에 효과가 있는지 알아보기 위하여 소성 변형된 무광택 Sn 필름에서 발생한 Sn 휘스커의 밀도, 길이, kinetic 을 관찰하였다. 그 결과, 무광택 Sn 필름을 ambient 조건에서 4000 시간 동안 보관한 경우, 소성 변형된 영역에서 도금 두께와 전류 밀도에 관계없이 Sn 휘스커가 모든 조건에서 관찰되었다. 그리고 이러한 소성 변형은 Sn 휘스커의 생성을 더 많이 발생시는 반면, Sn 휘스커의 길이는 소성 변형하지 않은 영역에서 성장하는 Sn 휘스커에 비해 짧았다. 그리고 도금 두께가 증가함에 따라 전자 부품에 위협적인 filament 형태의 Sn 휘스커의 수가 감소하였고 보다 덜 위협적인 nodule 형태의 Sn 휘스커가 더 많이 관찰되었다. 외부 압력에 의해 Sn 필름이 소성 변형 되면서 재결정이 일어난 것을 확인하였다. 입계에 생성되는 전위들과 소성 변형에 의해 새롭게 생성된 Sn 입자들이 재결정이 발생한 것을 알게 해준다. 그리고 시간이 지남에 따라 재결정에 의해 입자의 크기가 증가하였고 $Cu_{6}Sn_{5}$ 계면화합물의 두께가 증가하였다. 따라서, 변형에 의한 Sn 휘스커 성장 메커니즘을 재결정과 $Cu_{6}Sn_{5}$ 성장을 이용하여 제시하였다.
4장에서는 커넥터에서 사용하는 Sn 필름의 Sn 휘스커 성장 억제책을 알아 보기 위하여 소성 변형된 무광택 Sn, 무광택 Sn-Ag, 광택 Sn-Ag 를 관찰하였다. 소성 변형된 무광택 Sn 필름을 ambient 조건에서 보관한 경우 Sn 휘스커가 성장하는 것을 3장에서 확인하였다. 하지만, 동일 조건의 무광택 Sn 필름을 고온 다습한 조건에서 보관한 경우 Sn 휘스커가 효과적으로 억제되었다. 이러한 이유는 2장에서 확인한 것과 동일하게 랜덤하게 성장하는 $Cu_{6}Sn_{5}$ 와 두껍게 성장한 표면 산화막 때문인 것을 확인하였다. 표면 산화막이 전기적 특성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 면저항을 측정하였다. 그 결과, 고온 다습한 조건에서 보관한 무광택 Sn 필름의 면저항이 17% 정도 증가하였지만, 사용 가능한 범위라고 생각한다. 외부 압력에 의한 소성 변형이 광택 Sn-Ag 에서 Sn 휘스커 성장을 보다 가속화시키는 것을 확인하였다. 반면에, Ag 가 첨가된 무광택 Sn-Ag 의 경우 외부 압력에 의해 소성 변형이 일어나도 Sn 휘스커가 전형 성장하지 않았다. 즉, 변형에 의한 Sn 휘스커 성장을 억제하는 방법은 고온 다습한 조건에서 보관하는 방법과 Ag 를 첨가한 무광택 Sn-Ag 필름을 이용하는 것이다.
5장에서는 도금 표면이 아닌 Sn 기반 무연 솔더에서 성장하는 Sn 휘스커 억제책을 알아보기 위하여 Be 첨가가 Sn 기반 무연 솔더에서 성장하는 Sn 휘스커에 미치는 영향을 관찰하였다. 그 결과, Sn-0.5Cu 솔더에서 Sn 휘스커가 관찰되었다. 하지만, 0.02 wt.% Be 이 첨가된 Sn-0.5Cu 솔더에서는 Sn 휘스커가 성장하지 않았다. 게다가, Sn-1.0Ag-0.5Cu 솔더에서 Sn 휘스커가 관찰된 반면 0.02 wt.% Be 이 첨가된 Sn-1.0Ag-0.5Cu 솔더에서는 Sn 휘스커가 전혀 성장하지 않았다. 이러한 이유는 Be 이 Cu 위치에 치환 고용 되거나 Ag 혹은 Sn 위치에 침입형으로 존재하여 Sn 휘스커 성장에 필요한 Sn 의 확산을 억제하기 때문이다. 또한, Be 이 첨가됨에 따라 입자의 방향성이 랜덤하게 바뀌어 Sn 휘스커 성장 억제에 도움을 준다고 생각한다.
