선두

무연 솔더 합금은 사람들이 솔더링을 시작한 이래로 사용되어 왔으며 그 출처는 약 5,000년 전으로 거슬러 올라갑니다. 이러한 합금의 대부분은 구리-은 또는 은-금과 같은 조합이었으며 소위 하드 솔더링에 사용되었습니다. 이는 귀금속과 준귀금속을 함께 결합하는 데 오늘날에도 여전히 사용되는 기술입니다. 훨씬 더 최근의 발전은 훨씬 더 낮은 온도를 수반하는 '연납땜'을 사용하여 전자 부품을 함께 납땜하는 것입니다.

초기 연납땜에는 순수 주석(Sn)이 사용되었지만 점차적으로 열 순환, 충격 저항, 전자 이동 및 주석 기반 합금의 위스커 개발과 같은 문제를 해결할 수 있는 합금이 모색되었습니다. 납(Pb)은 대부분의 납땜 응용 분야에서 이 역할을 수행했지만, 점점 더 미세한 부품에 대한 새로운 요구 사항과 함께 제품에서 납이 단계적으로 폐지되면서 이 역할을 수행할 수 있는 새로운 납땜 합금의 개발이 필요해졌습니다.

이 기사에서는 취미 및 산업용으로 일반적으로 사용되는 무연 솔더 유형과 해당 특성을 개선하는 데 사용되는 도펀트에 대해 살펴보겠습니다.

주석(Sn)이 연성 솔더 및 솔더 합금에 널리 사용되는 데는 그럴 만한 이유가 있습니다. 주석은 저온(232°C)에서 녹고 우수한 습윤성(패드 위에서 흐르는 능력) 특성을 제공합니다. 대부분의 금속과 잘 용해됩니다. 이 마지막 특성은 우수한 금속간 화합물(IMC)을 형성하는 데 중요합니다. 이 IMC 경계의 품질에 따라 조인트의 내구성이 결정됩니다. IMC의 빈 공간의 세분성 및 수(및 크기)는 이 내구성에 영향을 미칩니다.

가장 일반적으로 사용되는 두 가지 무연 솔더 유형은 SnAgCu(주석-은-구리, SAC라고도 함)와 SnCu(주석-구리)입니다. 은 3%와 구리 0.5%로 구성된 SnAgCu 합금(SAC305)은 처음에는 다른 여러 SAC 합금과 함께 SMT 어셈블리에 사용하도록 승인되었습니다. 이러한 다른 합금은 SAC387(3.8% Ag) 및 SAC405(4% Ag)와 같이 은 함량이 높은 유형입니다. 이러한 고급 은 합금은 진정한 공융 합금입니다. 즉, 녹는점 217°C에서 고체에서 액체로 완전히 변합니다. 이와 대조적으로 SAC305의 온도 범위는 217~219°C입니다.

SAC는 허용 가능한 솔더 합금이지만 은을 첨가하면 비용이 상승합니다. 이로 인해 업계에서는 은 함량이 낮은 합금(예: SAC0307)이나 SnCuNi와 같은 은이 함유되지 않은 대체품을 사용하게 되었습니다.

안정적인 조인트의 핵심은 강제되는 IMC의 품질에 있습니다. 너무 두껍거나 너무 세분화되어서는 안 되며 Kirkendall 보이드가 없어야 합니다.

각 관절의 IMC는 다양한 유형의 노화와 손상을 겪습니다.

이 중 열 순환과 열충격은 서로 연관되어 있으며 둘 다 환경 온도에 의해 발생합니다. 접합부가 온도 변화에 노출됨에 따라 개별 구성 요소는 열팽창을 받게 되며 이는 재료마다 다를 수 있습니다. 그러면 조인트의 인장 강도에 따라 변형으로 인해 균열이 발생하는 지점이 결정됩니다.

일반적으로 열 순환 시 IMC는 재결정화되어 IMC가 거칠어져 균열이 형성됩니다. 연구에 따르면 La2O3 나노입자를 추가하면 주로 IMC의 성장을 억제하여 열 신뢰성이 향상되는 것으로 나타났습니다. 고은 합금은 또한 더 나은 열 신뢰성을 보여줍니다. 저은 합금에 0.1% 알루미늄(Al)을 첨가하는 것도 SnAgCu 합금에 Ni, Mn 및 Bi를 첨가한 것과 같은 효과를 나타냈습니다.

낙하 충격과 진동은 PCB, 접합부 및 구성 요소에 영향을 미칠 수 있는 일부 유형의 기계적 변형이 적용된다는 점에서 유사하게 관련되어 있습니다. 특히 핀 수가 많은 BGA 칩의 경우 낙하 충격으로 인해 심각한 손상이 발생할 수 있으며 접합부의 전단 강도와 같은 특성을 테스트할 수 있습니다. 기계적 진동으로 인한 고장 모드는 점진적인 균열 발생으로 인해 발생하는 열 순환의 고장 모드와 유사합니다.