무연 복합 솔더의 미소경도에 미치는 기계적 변형과 온도의 영향

Effects of Temperature and Mechanical Deformation on the Microhardness of Lead free and Composite Solders

전자 기기의 솔더 접합부는 고온에서 작동하고 온도 변화와 부품의 열팽창계수 차에 의해 소성변형을 겪게 된다. 그리고 변형된 솔더는 다시 고온에서 회복과 재결정의 과정을 겪는다. 이와 같은 일련의 열적 기계적 과정은 솔더의 미세구조와 기계적 특성을 변화시킨다. 본 연구에서는 전자 장치가 실제 작동할 때 솔더의 기계적 특성 변화를 예측하기 위해 여러 종류의 무연 솔더와 복합 솔더 (composite solder)의 미소경도 (micohardness)를 다양한 열적 기계적 환경에서 측정하였다. 측정된 무연 솔더에는 Sn, Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag-0.7Cu, Sn-2.8Ag-7.0Cu (복합 솔더), Sn-2.7Ag-4.9Cu-2.9Ni (복합 솔더)가 포함되어 있다. 솔더 시편은 $0.4{\~}7^{\circ}C$/sec의 냉각속도로 주조되었고 $30{\~}50\%$의 압축변형을 가한 후 $150^{\circ}C$에서 48시간 열처리하였다. 미소경도는 $25{\~}130^{\circ}C$에서 측정하였다. 각 시편의 미세구조 역시 관찰하여 미세구조와 비교하였다.

Solder joints in microelectronic devices are frequently operated at an elevated temperature in service. They also experience plastic deformation caused by temperature excursion and difference in thermal expansion coefficients. Deformed solders can go through a recovery and recrystallization process at an elevated temperature, which would alter their microstructure and mechanical properties. In this study, to predict the changes in mechanical properties of Pb-free solder joints at high temperatures, the high temperature microhardness of several Pb-free and composite solders was measured as a function of temperature, deformation, and annealing condition. Solder alleys investigated include pure Sn, Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag, Sn-3.8Ag-0.7Cu, Sn-2.8Ag-7.0Cu (composite), and Sn-2.7Ag-4.9Cu-2.9Ni (composite). Numbers are all in wt.$\%$ unless specified otherwise. Solder pellets were cast at two cooling rates (0.4 and $7^{\circ}C$/s). The pellets were compressively deformed by $30\%$ and $50\%$ and annealed at $150^{\circ}C$ for 2 days. The microhardness was measured as a function of indentation temperature from 25 to $130^{\circ}C$. Their microstructure was also evaluated to correlate with the changes in microhardness.