미세조직이 Sn계 무연솔더의 크리프 특성에 미치는 영향
Effects of Microstructure on the Creep Properties of the Lead-freeSn-based Solders
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초록
SnAg, SnAgCu, SnCu 무연솔더합금을 주조 상태에서 냉간압연한 후 열적으로 안정화한 시편(TS)과, 실제 솔더 범프와 유사한 미세구조의 수냉에 급속 냉각(WQ)된 시편 두가지를 100oC에서 크리프실험을 행하였다. 급속냉각한 시편의 냉각속도는 140~150 K/sec로 primary β-Sn 크기가 TS 시편보다5~10배 정도 작았으며, 기지내 primary β-Sn이 차지하는 분율은 증가하였다. 반면에 공정상 내의 Ag3Sn상의 크기는 더 작아졌다. 크리프 실험 결과 WQ 시편의 최소크리프 변형율 속도( min)가 TS 보다 약 102배 정도 작았으며, 더 큰 파괴시간을 보였다. TS-SnAg의 크리프파괴는 Ag3Sn 또는 Cu6Sn5에서의 공공의 핵생성, power-law 크리프에 의한 공공의 성장, 그리고 크리프 공공의 상호 연결로 일어났으며, WQ-SnAgCu는 시편이 두께가 얇아 네킹에 의해 파괴가 일어났다.
Abstract
The Sn-based lead-free solders with varying microstructure were prepared by changing thecooling rate from the melt. Bulky as-cast SnAg, SnAgCu, and SnCu, alloys were cold rolled and thermallystabilized before the crep tests so that there would be very small amount of microstructural change duringcrep (TS), and thin specimens were water quenched from the melt (WQ) to simulate microstructures ofthe as-reflowed solders in flip chips. Cooling rates of the WQ specimens were 140~150 K/sec, and theresultant β-Sn globule size was 5~10 times smaller than that of the TS specimens. Subsequent crep testsshowed that the minimum strain rate of TS specimens was about 102 times higher than that of the WQspecimens. Fractographic analyses showed that crep rupture of the TS-SnAgCu specimens occurred bythe nucleation of voids on the Ag3Sn or Cu6Sn5 particles in the matrix, their subsequent growth by theform macrocracks which led to the fast failure. Onthe other hand, no creep voids were found in the WQ specimens due to the mode III shear rupture comingfrom the thin specimens geometry.