여러분,
저희 지난 글에서에서, 저는 일반적인 믿음과는 달리 납땜 공정에서 형성되는 금속간 화합물(IMC)이 반드시 취성(brittle)인 것은 아니라고 설명했습니다. 저는 파손 양상이 대개 IMC 자체 간의 계면, IMC와 구리 또는 솔더 간의 계면, 그리고 종종 솔더 내부에서 발생한다는 것을 보여주는 몇 가지 문헌을 검토했습니다. IMC의 성장이 신뢰성에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다는 관점은 Lee 등의 연구 결과로도 뒷받침됩니다. Lee의 논문에서 발췌한 그림 1은 150°C에서 250시간 동안 노화 처리를 해도 열 사이클 시험에서 특성 수명에 큰 영향을 미치지 않음을 보여줍니다.
그림 1. Lee가 인용한 논문에서, 150°C에서 최대 250시간 동안 노화 처리를 실시해도 열 사이클 시험에서 나타난 특성 수명에 유의미한 영향을 미치지 않았다.
그러나 IMC의 두께를 최소화하는 것이 현명할 것입니다. 따라서 다음과 같은 의문이 제기됩니다. 주어진 온도에서 IMC는 얼마나 빠르게 성장할까요? Siewert 등 연구진의 연구에 따르면[i] 이 그 해답을 제시하고 있다. 이 논문에서 Siewert는 IMC의 두께가 X=(kt)0.5의법칙에 따라 증가한다는 기존 연구 결과를 뒷받침했으며, 이 방정식을 이용한 모델링을 뒷받침하는 새로운 데이터를 추가했다. 이 방정식에서 X는 IMC의 성장 거리, k는 온도에 의존하는 상수, t는 시간을 나타낸다. X가 온도(T)에 크게 의존할 것이라고 예상할 수 있으며, 실제로 그렇습니다. Siewert의 논문 데이터를 활용하여 T의 함수로서 k의 값을 도출하고 이를 아레니우스 그래프에 그래프로 표시할 수 있었습니다. 그림 2를 참조하십시오.
그림 2. k에 대한 아레니우스 도표.
다음으로 그림 2를 참고하여 70°C에서의 k 값을 구한 후, IMC 성장량 X(마이크론 단위)를 시간(시간 단위)의 함수로 그래프에 표시했습니다. 그 결과는 그림 3에 나와 있습니다.
그림 3. 70°C에서 시간에 따른 IMC의 성장 양상.
10 마이크론 조금 넘는 두께를 성장시키려면 약 40년이 소요된다는 점에 유의하십시오. 그림 4는 200°C에서 IMC 성장 결과를 보여줍니다. 이 경우, 약 10 마이크론의 성장을 얻기 위해서는 100시간만 소요됩니다. 따라서 70°C에서 200°C로 온도를 높이면, 10 마이크론에 도달하는 유효 IMC 성장 속도가 30,000배 이상 가속화됩니다.
그림 4. 200°C에서 시간에 따른 IMC의 성장.
이는 서로 다른 온도에서 수집된 데이터를 바탕으로 한 이론적 계산 결과입니다. 이 공식들이 실제 상황에서도 적용되는지 확인해 봅시다. 다른 논문에서 [ii]에서 Ma 등은 연구팀이 일부 솔더 접합부를 125°C에서 120시간 동안 노화시켰습니다. 앞서 사용한 방정식에 따르면 이러한 조건에서 IMC의 성장은 2.2 마이크론으로 예측됩니다. 그림 5를 보면, 계산 추정치와 일치하는 약 2 마이크론의 성장이 관찰됩니다.
그림 5. Ma의 논문에서 발췌한, 125°C에서 120시간 동안 진행된 IMC 성장 과정의 이미지.
따라서 IMC가 그렇게 취약한 것은 아니지만, 그 성장을 제한하는 것이 현명합니다. 따라서 극히 높은 온도에서의 노화 현상에 대한 노출을 제한하는 것이 현명하지만, 용융된 솔더가 IMC의 성장을 매우 빠르게 촉진하기 때문에 솔더 재작업은 반드시 최소화하는 것이 바람직합니다.
건배,
론 박사
