MLCB 전자부품 실장을 위한 기판 패드 디자인과 공정 조건 최적화 연구
A Study on Optimization of Substrate-pad designs and Process Conditions for Mounting of MLCB Electronic Components
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초록
리튬이온 배터리(lithium-ion battery, LIB)는 전기차와 에너지 저장 시스템 등 다양한 분야에서 널리 사용되어 왔으나 인화성 액체 전해질을사용함에 따라 열 폭주(thermal runaway)와 같은 심각한 안전 문제를 가지고 있다. 이러한 한계를 보완하고자 대체제로 적층 세라믹 전지(multi-layer ceramic battery, MLCB)가 주목받고 있다. 그러나 MLCB를 적용하기 위해서는 기판에 실장해야 하며, 이때 기판의 패드 설계에따라 MLCB 패키지의 솔더 접합부에 끼치는 영향에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 리플로우 공정을 통해 제작된MLCB 패키지를 다양한 표면처리와 솔더 페이스트를 사용하여 공정 변수와 패드 디자인에 따라 솔더 접합부 특성에 미치는 영향을 비교하였다. 또한, 접합 후 X-ray 와 광학현미경을 사용하여 기공(void) 분율과 필렛(fillet) 형상을 등을 분석하였으며, 전단 시험을 통해 기계적 특성을 평가하였다. 이에 따라, 패드 디자인 3에서 Sn-57Bi-1Ag 솔더 페이스트와 OSP 표면처리를 사용하여 접합한 R12의 공정 조건이 가장 균형 잡힙 최적 조건으로 판단되었다.
Abstract
Lithium-ion batteries (LIBs) have been widely used power source owing to their high energy density and long cycle life. However, the use of flammable liquid electrolytes posed serious safety concerns such as a themral runaway. To solve this problem, solid-state multi-layer ceramic batteries (MLCBs) attracted as safer alternatives. For system-level use, however, MLCBs had to be mouted on printed circuit boards (PCBs), and the reliability of the solder joints had not been fully clarified especially the effect of pad designs. In this study, the influence of PCB pad designs and surface treatments on the solder joint characteristics of MLCB packages fabricated by a reflow was investigated with two Pb-free solder pastes. Void fraction and fillet formation were also analyzed by X-ray inspection and optical microscopy (OM). Shear tests were also conducted to evaluated mechanical properties. Accordingly the R12 condition using Sn-57Bi-1Ag solder paste and an OSP surface finish under pad design 3 was identified as the most balanced and optimal process condition.