전자 제품의 열 문제를 해결하기 위한 솔더 열 전도율 향상

현대 전자 장치 설계 및 제조에서 열 관리는 중요한 요소가 되었습니다. 전자 부품의 집적 밀도와 전력 밀도가 지속적으로 증가함에 따라 장치 내에서 발생하는 열의 양이 급격히 증가합니다. 이 열을 효과적으로 방출할 수 없으면 부품 온도가 상승하여 궁극적으로 장치 성능, 신뢰성 및 수명에 영향을 미칩니다.

전자 냉각 시스템 내에서 솔더는 부품 간의 기계적, 전기적 연결 역할뿐 아니라 중요한 열 전달 매체 역할을 하는 중추적인 역할을 합니다. 솔더의 열 전도성은 열 전달 효율에 직접적인 영향을 미치므로 적절한 재료 선택, 열 설계 최적화 및 고성능 전자 제품 생성에 필수적인 솔더 열 특성을 철저히 이해할 수 있습니다.

솔더는 전자제품 제조에 없어서는 안 될 재료로, 주로 부품 간의 기계적, 전기적 연결에 사용됩니다. 그 기능은 다음과 같습니다:

• 기계적 접착:솔더는 다양한 작동 조건에서 신뢰성을 유지하는 안정적인 구조적 연결을 생성합니다.
• 전기 연결:전도성이 뛰어난 솔더는 구성 요소 간의 중단 없는 신호 전송을 보장합니다.
• 열전달:열 전도 매체로서 솔더는 부품의 열을 방열판 또는 기타 냉각 구조로 전달합니다.

전자 기술이 발전함에 따라 전력 밀도가 증가함에 따라 더욱 엄격한 솔더 성능 요구 사항이 요구됩니다. 전통적인 기계적 및 전기적 특성 외에도 열전도도는 중요한 평가 지표가 되었습니다. LED 조명, 전력 증폭기, 컴퓨터 CPU와 같은 고전력 애플리케이션에서 납땜 열 성능은 작동 온도와 장치 수명을 직접적으로 결정합니다.

주석-납(SnPb) 합금은 탁월한 습윤성, 낮은 융점 및 우수한 납땜성으로 인해 오랫동안 전자 제품을 지배했습니다. 그러나 납의 환경 및 건강 위험으로 인해 규제 변화가 촉발되었으며, 특히 전자 제품의 유해 물질을 제한하는 EU의 2006 RoHS 지침이 그 대표적입니다.

이러한 전환으로 인해 주석-은-구리(SAC), 주석-구리(SnCu) 및 주석-아연(SnZn) 합금과 같은 무연 대체 합금의 개발이 촉진되었습니다. 기계적, 전기적 성능 면에서는 SnPb와 일치하지만 열 전도성이 떨어지는 경우가 많습니다. 또한 이러한 합금에 대한 신뢰할 수 있는 열전도도 데이터를 얻는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다.

솔더 재료는 일반적으로 애플리케이션 수준에 따라 분류됩니다.

• 레벨 1 상호 연결:칩-패키지 연결에 사용되며, 후속 조립 공정을 견딜 수 있도록 융점이 더 높습니다. 이는 장치의 가장 중요한 접합을 형성하므로 극도의 신뢰성을 요구합니다.
• 레벨 2 상호 연결:칩 연결을 방해하지 않고 조립을 용이하게 하기 위해 낮은 융점으로 포장된 구성 요소를 회로 기판에 접착합니다. 이는 비용, 신뢰성 및 납땜 가능성의 균형을 유지합니다.

단위 면적(W/m·K)에 걸친 단위 온도 구배당 열 전달로 정의되는 열 전도성은 솔더의 열 방출 성능을 결정합니다. 값이 높을수록 구성 요소에서 냉각 구조로 열 전달이 더 빨라집니다.

표 1은 일반적인 납땜 합금의 열전도율을 녹는점 순으로 비교한 것입니다. 단일 융점 항목은 공융 조성을 나타내는 반면 조성 공차는 5% 이하 구성 요소의 경우 ±0.2%, >5% 구성 요소의 경우 ±0.5%입니다.

표 1의 고융점 솔더는 일반적으로 항공우주, 군사 및 기타 고신뢰성 애플리케이션을 위한 밀폐형 칩 패키징에 사용됩니다. 이를 위해서는 냉각 중 응력으로 인한 고장을 방지하기 위해 반도체 재료와 일치하는 열팽창 계수를 갖는 기판 재료가 필요합니다.

금-주석 공융 솔더는 뛰어난 습윤성, 기계적 강도 및 내식성을 제공하지만 프리미엄 애플리케이션에는 높은 비용 제한이 적용됩니다.

Sn96.5Ag3.0Cu0.5 및 Sn95.5Ag4.0Cu0.5와 같은 SAC(주석-은-구리) 변형이 주요 SnPb 대체품으로 등장하여 기계적 및 전기적 성능은 일치하지만 열 전도성(25°C에서 ~60W/m·K)은 약간 뒤떨어졌습니다.

특히, 순수 원소 값을 기반으로 한 간단한 혼합 규칙을 사용하여 합금 열전도도를 추정하면 심각한 오류가 발생할 수 있습니다. 예를 들어, AuSn(80/20)은 금(315W/m·K)과 주석(66W/m·K)보다 낮은 57W/m·K 전도성을 나타내며, 이는 미세 구조와 결정립 경계가 조성을 넘어 열 성능에 어떻게 영향을 미치는지 보여줍니다.

솔더 보이드는 유효 전도 영역을 줄이고 응력 집중 지점을 생성합니다. 최적화된 납땜 공정(온도 제어, 재료 청결성 등)을 통해 다공성을 최소화하는 것은 열적 및 기계적 성능을 극대화하는 데 필수적입니다.

정확한 솔더 열전도율 데이터는 유한 요소 분석(FEA) 및 유한 차분 방법(FDM) 열 모델의 정밀도를 향상시켜 더 나은 냉각 시스템 설계를 가능하게 합니다.

차세대 솔더는 더욱 엄격한 환경 기준을 충족하면서 더 높은 열 전도성, 강도 및 신뢰성을 추구할 것입니다. 연구는 나노복합 솔더(나노입자 첨가제 포함)와 다공성을 줄이기 위한 레이저 및 초음파 솔더링과 같은 고급 공정에 중점을 두고 있습니다.

최적의 솔더 선택에는 균형이 필요합니다.

• 용도별 융점
• 열적/기계적 성능 요구 사항
• 비용 제약
• 환경 준수

• 고전력 LED:AuSn 또는 나노입자 강화 SAC 합금
• 컴퓨터 CPU:AuSn 또는 액체 금속 합금
• 모바일 장치:저융점 SAC 또는 SnCu 합금

솔더 열 전도성은 근본적으로 전자 장치 냉각 효율에 영향을 미칩니다. 열, 기계적, 경제적, 생태학적 요인을 고려하여 정보에 입각한 재료 선택을 통해 최적의 열 관리가 가능합니다. 솔더 재료 및 프로세스의 지속적인 혁신은 차세대 전자 장치의 성능 요구 사항 증가를 해결할 것입니다.