주석도금 Whisker 성장에 영향을 미치는 잔류응력·금속간화합물·보관환경

주석(Sn) Whisker는 주석 또는 주석합금 표면에서 자발적으로 자라는 가느다란 금속 결정이다. 수십 µm에서 수 mm까지 성장할 수 있으며 전자부품의 인접 단자 사이를 연결하면 단락 위험이 생긴다. 중요한 점은 Whisker가 단순히 습도가 높아서 생기는 것이 아니라, 피막 내부의 압축응력과 모재/주석 계면의 금속간화합물 성장, 도금조건과 기계적 변형이 복합적으로 작용한다는 것이다.

1. 핵심 구동력은 피막 내부의 압축응력

순수주석 피막에는 도금 자체의 잔류응력, 체결·굽힘에 의한 외부응력, 열사이클에 따른 응력이 존재할 수 있다. 또한 Cu 모재와 Sn 사이에서 Cu-Sn 금속간화합물(IMC)이 성장하면서 국부적인 체적 변화와 응력 분포가 생긴다. 이러한 압축응력을 완화하는 하나의 경로로 Whisker가 표면 밖으로 성장하는 것으로 이해된다.

2. 보관환경은 원인이 아니라 가속조건 중 하나로 본다

온도와 습도는 산화막, 부식, 확산속도와 응력완화 거동에 영향을 줄 수 있지만, 특정 습도 하나로 Whisker 발생을 예측할 수는 없다. JEDEC의 JESD201은 주석·주석합금 표면처리의 Whisker 민감도를 비교하기 위한 환경시험과 판정방법을 제시하며, 시험이 실제 필드에서 Whisker의 발생 여부를 완전히 보증하지 않는다는 취지를 포함한다.

3. 완화책은 “한 가지 처리”보다 재료-공정 조합으로 설계한다

• Cu 모재와 Sn 사이에 적절한 Ni underplate를 사용해 계면반응을 제어하는 방법
• 도금의 내부응력을 낮추는 bath 및 전류조건 관리
• 필요한 경우 reflow/anneal 등 승인된 열처리 적용
• 프레스·포밍 후 잔류응력이 큰 영역을 설계 단계에서 줄이는 방법
• 순수 Sn 대신 승인된 Sn 합금 또는 대체 finish 적용 검토

4. “Whisker가 없었다”는 결과도 시험조건과 함께 기록한다

Whisker 리스크는 “육안으로 안 보인다”로 관리할 수 없다. 전자부품 신뢰성이 중요하면 JESD201/JESD22-A121 같은 승인된 평가법과 고객 규격을 사용해 공정 변경을 검증해야 한다.

참고 기준/자료

• JEDEC JESD201 — Environmental Acceptance Requirements for Tin Whisker Susceptibility

• JESD22-A121 — Test Method for Measuring Whisker Growth

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