BGA 솔더 조인트의 전단강도에 미치는 Cu 첨가 솔더의 영향

Effect of Cu Containing Solders on Shear Strength of As-soldered BGA Solder Joints

금속간 화합물의 두께와 솔더와 금속간 화합물의 계면 거칠기가 Cu pad위의 BGA솔더 조인트의 전단강도에 미치는 영향을 Sn (0. 1.5, 2.5wt.% Cu)와 Sn-40Pb (0, 0.5wt.% Cu) 솔더를 사용하여 알아보았다. 각각의 조성의 솔더를 사용하여 솔더링 반응을 1, 2 ,4분 동안 한 후 전단강도를 측정하였다. Sn솔더에 Cu 첨가는 초기 금속간 화합물의 두께를 증가시키는 결과를 가져오는 반면 Sn-40Pb 솔더의 경우에는 주로 금속간 화합물/솔더의 계면거칠기의 감소를 가져오게 된다. 최대 전단 강도값을 나타내는 금속간 화합물의 임계두께는 솔더의 물질에 따라 변하게 되는데, 본 실험에서는 Sn-Cu솔더의 경우에는 ~2.3 μm, Sn-Pb-Cu에서는 ~ 1.2 μm 정도로 측정되었다. 금속간 화합물의 임계두께는 금속간 화합물/솔더의 계면이 더욱 거칠어질수록 증가하는 것으로 나타났다. 이는 파단면 관찰에서 나타난 초기의 솔더내에서의 파괴가 금속간 화합물이 임계두께 이상으로 성장함에 금속간 화합물/솔더의 계면으로 이동하는 결과와 일치한다.

Shear strengths of BGA solder joints on Cu pads were studied for Cu-containing Sn (0, 1.5, and 2.5 wt.% Cu) and Sn-40Pb (0 and 0.5wt.% Cu) solders, with emphasis on the roles of the Cu-Sn intermetallic layer thickness and the roughness of the interface between the intermetalic layer and solder. The shear strength test was performed for as-soldered solder joints with various soldering reaction times up to 4 min. The addition of Cu to the pure Sn solder results in an enhanced growth of the intermetallic layer whereas the effect of Cu addition to the Sn-40Pb solder is primarily on the reduction of the roughness of the intermetallic/solder interface. The critical thickness of the intermetallic layer for a maximum shear strength depends on the solder materials, which was measured to be ~ 2.3 μm for Sn-Cu solders and ~ 1.2 μm for Sn-Pb-Cu solders. The shear strength at the critical intermetallic layer thickness seems to increase as the intermetallic/solder interface becomes rougher. This is in accordance with the observation that the sheared fracture occurred initially within the solder tends to shift towards the intermetallic/solder interface as the intermetallic layer grows above the critical thickness.