미세조직이 Sn계 무연솔더의 크리프 특성에 미치는 영향

Effects of Microstructure on the Creep Properties of the Lead-free Sn-based Solders

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 100℃에서 크리프 실험을 행하였다. 급속냉각한 시편의 냉각속도는 140-150 K/sec로 primary β-Sn 크기가 TS 시편보다 5∼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(ε_{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.

The Sn-based lead-free solders with varying microstructure were prepared by changing the cooling rate from the melt. Bulky as-cast SnAg, SnAgCu, and SnCu, alloys were cold rolled and thermally stabilized before the creep tests so that there would be very small amount of microstructural change during creep (TS), and thin specimens were water quenched from the melt (WQ) to simulate microstructures of the as-reflowed solders in flip chips. Cooling rates of the WQ specimens were 140∼150 K/sec, and the resultant β-Sn globule size was 5∼10 times smaller than that of the TS specimens. Subsequent creep tests showed that the minimum strain rate of TS specimens was about 10₂ times higher than that of the WQ specimens. Fractographic analyses showed that creep rupture of the TS-SnAgCu specimens occurred by the nucleation of voids on the Ag₃Sn Sn or Cu₆Sn₅ particles in the matrix, their subsequent growth by the power-law creep, and inter-linkage of microcracks to form macrocracks which led to the fast failure. On the other hand, no creep voids were found in the WQ specimens due to the mode III shear rupture coming from the thin specimens geometry.