자유곡면 전자기기를 위한 레이저와 대류 리플로우 공정에 따른 솔더 접합부 특성 비교 연구
Comparative Analysis on Properties of Solder Joints with Laser and Convection Reflow Processes for Free-form Electronics
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초록
최근, 차량 전장 기판은 제한된 장착 공간 한계를 극복하기 위해 3차원 구조 및 플렉서블 기판 적용 확대에 따라 비평탄 및 곡면 기반의 자유곡면 실장이 증가하고 있다. 이러한 조건에서는 중력, 표면장력, 젖음력이 복합적으로 작용하여 솔더 접합 공정 안정화가 어려워 기공과 기판뒤틀림이 발생하게 되고 이는 접합 신뢰성 확보를 방해할 수 있다. 본 연구에서는 자유곡면 환경에서 대류 리플로우, 단일 및 다중 레이저 리플로우 공정을 이용하여 다층 세라믹 커패시터(MLCC)와 기판을 Sn-57Bi-1Ag 솔더로 접합하고 접합부의 특성을 비교하였다. 기공은 X선비파괴 검사로 정량화 하였고, 주사전자현미경(SEM) 및 에너지 분산형 X선 분광(EDS)으로 기판과 MLCC 부품 계면에서의 미세조직과 금속간화합물(IMC) 성장 거동을 분석하였다. 또한, 접합부의 기계적 특성을 일본산업규격(JIS)에 따른 저속 전단 시험으로 평가 비교하였다. 본 연구에서는 다중 레이저 리플로우가 1차 용융 및 젖음 확보 후 2차 저출력 재가열을 통해 잔류 기체 배출을 촉진함으로써 기공을 저감하고계면 IMC 과성장을 완화하여 전단 강도를 향상시킴을 확인하였다. 이를 바탕으로 자유곡면 기판 실장을 위한 레이저 기반 접합 공정 설계를위한 적정 조건을 제시하였다.
Abstract
Recently, automotive electronic substrates have increasingly adopted non-planar and curved free-form surface mounting for overcoming limited packaging space and with expanding use of three-dimensional structures and flexible substrates. Under these conditions, gravity, surface tension, and wetting force act simultaneously, which result in making processes of solder joining stabilization difficult. It can induce voids and substrate warpage which can potentially degrading joint reliability. This study compares convection reflow, single-laser and multi-laser reflow processes for joints after joining between multilayer ceramic capacitors (MLCCs) and substrate using Sn-57Bi-1Ag solder. We quantified voids by X-ray and analysed microstructures and intermetallic compounds (IMCs) growth at the interface using a scanning electron microscopy (SEM) and an energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Mechanical properties were evaluated and compared through a low-speed shear test with the Japanese Industrial Standards (JIS). Our results suggest that, in the case of the multi-laser reflow, the second process with a low-power reheating after performing primary melting and wetting from the first process could promote the residual gas release, the reduction of voids, and the suppression of excessive interfacial IMC growth. From these, we confirmed that the shear strength was also improved. We also proposed an appropriate process for laser-based joining on free-form substrates.