금속간 성장률은 크게 온도 의존적이에요

여러분,

저희 지난 게시 글에서, 대중적인 신념에 반하는, 솔더링 공정에서 형성된 금속간 화합물 (IMCS)은 반드시 취약하지 않다는 것을, 제가 논의했었죠. 저는 결함 모드가 주로 IMC 자체, IMC와 구리 또는 솔더 간 그리고 벌크 솔더 자체 사이 인터페이스에 있다는 것을 나타낸 일부 문헌을 검토했어요. IMC 성장이 신뢰성에 상당한 영향을 주지 않는다는 관점이 또한 리와 그 외 분들이 수행한 작업에 의해서 지지되고 있어요. 리의 논문에 있는, 도표 1은 섭씨 150°에서 250시간 동안의 시효가 열주기 시험에서 특성 수명에 중요하게 영향을 미치지는 않는다는 것을 보여주죠.

도표 1. 섭씨 150°에서 250시간 동안의 시효는 리의 참조 논문에서 열주기 시험에 중요하게 영향을 미치는 특성이 아니에요.

그러나, IMC의 두께를 최소화하기 위해서 신중한 일이 될 수 있어요. 그래서, 이것은 어떤 주어진 온도에서 IMC가 얼마나 신속한가의 질문을 제기시켜요. 시워트와 그 외 분들이 [i] 수행한 작업에 해답이 있어요. 이 논문에서, 시워트는 지난 작업에서 IMC의 두께는 X=(kt)^0.5 만큼 성장한다고 지원했고 이 방정식을 사용하여 모델링을 지원하고자 새로운 데이터를 추가했어요. 이 방정식에서, X는 IMC 성장 거리이고, k는 온도 의존 상수이며, t는 시간이에요. X가 온도 (T)에 크게 의존하고 있는 것을 예상할 수 있어요. 시워트의 논문 데이터를 사용하여, 저는 T의 함수로서 k 값을 생성할 수 있었고 그것들을 아레니우스 플로트에 그릴 수 있었어요. 도포 2를 참조하세요.

도표 2. k에 대한 아레니우스 플로트

다음에 저는 섭씨 70°에서 k 값을 얻기 위해서 도표 2를 사용했고 시간 함수로서 마이크론에서 IMC 성장 X를 플로트했어요. 결과가 도표 3에 있어요.

도표 3. 섭씨 70°에서 시간 함수로서 IMC 성장

10 마이크론이 약간 넘는 것을 얻기 위해서 약 40년이 필요한 것을 주목하세요. 도표 4는 섭씨 200°에서 IMC 성장에 대한 결과를 나타내요. 이 경우에서, 약 10 마이크론 성장을 얻기 위해서 단 100 시간만 필요해요. 따라서 섭씨 70 에서 200°C로 가는 것은 10마이크론까지의 효율적인 IMC 성장률에서 30,000 이상의 가속 계수를 생성해요.

도표 4. 섭씨 200°C에서 시간 함수로서 IMC 성장

이들은 다른 온도에서 수집된 데이터로부터의 이론적인 계산이에요. 그 공식들이 실제 생활에서 적용되는지 살펴보죠. 마와 그 외 분들에 의한 [ii] 다른 논문에서, 그의 팀은 일부 솔더 접합을 섭씨 125°C에서 120시간 동안 시효했어요. 위에 사용된 방정식은 이러한 조건 하에서 2.2 마이크론의 IMC 성장을 예측할 수 있어요. 도표 5에서, 우리는 추정 계산과 일치하는 약 2 마이크론 성장을 봅니다.

도표 5. 마의 논문에서 발췌한 섭씨 125°C에서 120시간 동안의 IMC 성장 이미지.

그래서 비록 IMC가 그처럼 취약하지 않더라도, 그 성장을 제한하는 것이 현명하죠. 따라서, 매우 높은 온도 시효에 노출을 제한하는 것은 현명하지만, 용융 솔더가 매우 IMC 성장을 빠르게 하므로, 확실히 솔더 재작업을 최소화할 것을 권해드려요.

감사합니다,

론 박사

 [i] 시워트, T. A., 외, 인터페이스 사이에서 IMs의 형성 및 성장

무연 솔더 및 구리 인터페이스, APEX 1994.

[ii] X. 마, 외, 재질 문자 57 (2003) 3361-3365.