휘스커의 발생 원인과 시험, 관찰·평가 과제 해결
다양한 원인에 의해 발생·성장하는 「휘스커」는 전기 기기 및 전자 디바이스의 단락 등 시장에서의 트러블을 일으키므로 대책이 필요합니다. 여기에서는 휘스커의 발생 원인 및 성장 메커니즘과 환경, 각종 평가 시험에 대해 설명합니다. 그리고 기존의 광학 현미경 및 주사 전자 현미경(SEM)을 이용한 휘스커 관찰의 과제를 해결하는 최신 4K 디지털 마이크로스코프에 의한 개선 사례를 소개합니다.
휘스커의 문제와 발생 원인
「휘스커(whisker)」란, 금속 표면에 금속 단결정이 자연적으로 성장하는 현상을 말하며, 특히 주석(Sn) 도금이나 아연(Zn) 도금 등에서 발생합니다. 휘스커라는 단어가 고양이나 쥐 등의 수염을 의미하듯 금속 결정이 바늘 형상 또는 결절(혹) 형상으로 성장합니다.
휘스커의 문제와 변천
예를 들어, 전자 회로나 접속부에서 휘스커가 성장한 경우, 단락이 발생하여 전기 제품 및 전자 회로, 전자 디바이스 등의 고장 원인이 됩니다.
1946년, 라디오 배리어블 콘덴서의 도금에 카드뮴이 사용되자 시장에서 단락 고장이 연달아 발생하여 카드뮴의 휘스커가 주목을 받았습니다.
1950년대에는 납을 미량 합금화시켜 휘스커를 제어하는 대책이 확산되었습니다. 그러나 2000년 이후에는 실장의 무연화 경향에 따라 주석 도금이 채택되기 시작했습니다. 그러자 손목 시계부터 원자로, NASA의 인공 위성이나 우주 왕복선 등 항공 우주 분야에 이르기까지 휘스커에 의한 고장이 잇따르면서 다시 중요한 문제로 떠올랐습니다.
휘스커의 발생 원인
휘스커의 발생 원인으로는 주로 아래의 영향을 생각할 수 있습니다.
- 금속간 화합물 확산의 영향
- 갈바닉 부식*에 의한 영향
- 외부 응력에 의한 영향
- 열팽창 계수의 차에 의한 응력의 영향
그 밖에도 다양한 요인이 추정되지만 휘스커의 근본적인 메커니즘은 해명되지 않았습니다.
갈바닉 부식… 종류가 다른 금속의 전기적인 접속에서 양자 간의 전위 차에 따라 발생하는 부식으로 「이종 금속 접촉 부식」이라고도 한다.
휘스커가 발생하는 환경
주석 및 아연의 휘스커는 실온에 가까운 환경에서도 빠르게 확산되는데 몇 가지 환경 영향에 따라 원소 확산이 촉진됩니다. 휘스커가 발생하는 환경 조건의 대표적인 예는 아래와 같습니다.
- 실온에서 발생
- 온도 사이클로 발생
- 산화·부식성 발생
- 외부 압력 환경에서 발생
- 일렉트로마이그레이션 현상*으로 발생
일렉트로마이그레이션 현상으로 발생하는 휘스커는 전류 밀도가 높은 반도체나 플립 칩 등 특수한 실장에서 나타납니다.
일렉트로마이그레이션 현상…집적 회로 내부의 금속 배선으로 전류를 보내어 금속 원자가 이동해버리는 현상입니다. 예를 들면, 알루미늄 배선에서는 전자가 흐르는 방향으로 알루미늄 원자가 이동하여 양극 측에 휘스커 및 힐록이 발생하여 성장합니다.
휘스커 시험과 관찰·평가
휘스커의 발생·성장은 전기·전자 제품 고장의 원인이 되기 때문에 대책을 취하기 위해 다양한 시험과 관찰·평가가 실시되고 있습니다. 여기에서는 휘스커 평가 시험의 종류와 환경 등의 사례, 관찰·평가의 현 상황과 경향에 대해 설명합니다.
휘스커 평가 시험의 예
현재 실시되고 있는 휘스커 평가 시험의 종류와 환경 등의 예는 아래와 같습니다.
- 실온 방치 시험
- 금속간 화합물/확산의 영향으로 발생하는 휘스커의 성장 관찰
환경: 30±2℃/60±3%RH·시간: 4000 Hr
- 항온 항습 시험
- 갈바닉 부식에 의해 발생하는 휘스커의 성장 관찰
환경: 55±3℃/85±3%RH·시간: 2000 Hr
- 온도 사이클 시험
- 열팽창 계수의 차로 발생하는 휘스커의 성장 관찰
환경: 저온 -55±5℃ 또는 -40±5℃/고온 85±2℃ 또는 125±2℃·주기: 2000사이클
- 외부 응력 시험
- 외부 응력의 영향으로 발생하는 휘스커의 성장 관찰
종류: 커넥터 감합 시험(실제 제품을 이용)·하중 시험(구형 0.1Φ의 지르코니아 구를 300 gf의 하중으로 500 h 유지)
휘스커 대책의 핵심, 확대 관찰·평가
각종 시험에서 발생·성장하는 휘스커의 확대 관찰에 의한 상태 해석과 평가를 실시하면 제품의 고장 리스크를 사전에 파악하여 대책을 마련할 수 있습니다. 전기 제품 및 전자 디바이스 등의 연구 개발·회로 설계·재료 선정·생산 등 제품이 시장에 나가기 전에 중요한 정보를 얻을 수 있습니다.
휘스커의 확대 관찰에는 일반적인 광학식 현미경이나 빛 대신 짧은 파장의 전자선을 이용하여 나노 레벨의 관찰이 가능한 주사 전자 현미경(SEM)이 사용되어 왔습니다. 그러나 최근에는 광학계와 비전 시스템의 기술 발전으로 간단한 조작을 통해 선명한 화상을 이용하여 관찰할 수 있는 디지털 마이크로스코프가 등장하여, 선명한 화상으로 휘스커의 효율적인 관찰·평가를 실시할 수 있게 되었습니다.
휘스커 관찰·평가의 최신 과제 해결 사례
지금까지 휘스커의 관찰에 이용된 주사 전자 현미경(SEM)과 현미경에는 여러 가지 과제가 있었습니다.
KEYENCE의 초고해상도 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 최첨단 기술을 구사한 고분해능 HR 렌즈·4K CMOS·영상 엔진·조명 등에 의해 선명한 4K 화상을 통한 확대 관찰을 간단한 조작으로 신속하게 실현합니다. 기존의 휘스커 관찰·평가에 관한 과제 해결 사례를 소개합니다.
주사 전자 현미경(SEM)에 의한 휘스커 관찰의 과제 해결
기존의 과제: 주사 전자 현미경(SEM)의 경우
휘스커를 관찰하려면 샘플실 내에서 샘플의 위치를 조정하거나 샘플실을 진공 또는 저진공 상태로 만드는 「진공화」등 관찰 전 단계가 번거롭고 시간이 오래 걸렸습니다.
또한, 샘플을 바로 위에서만 관찰하기 때문에 입체적인 형상의 휘스커를 관찰하려면 앵글을 바꿀 때마다 일련의 준비 작업이 필요했습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는
새로 개발한 광학계와 4K CMOS로 진공실이 필요 없고 대기 상태에서 시야를 놓치지 않으며 6000배까지 확대 관찰할 수 있습니다. SEM의 과제였던 준비 공정 수를 전면적으로 절감하면서도 선명한 4K 고해상도 화상을 통해 관찰할 수 있습니다.
또한, 「프리 앵글 관찰 시스템」과 「고정도 X·Y·Z 전동 스테이지」를 이용하여 시야·회전축·경사축이 맞는 경사 관찰 등 자유로운 앵글의 관찰을 간단하게 실현합니다.
또한, 「라이브 내비게이션 합성」을 통해 고배율·고해상도 상태에서 샘플 전체에 풀 포커스를 맞출 수 있습니다. 전체에서 관찰하고 싶은 부분을 클릭하기만 하면 스테이지 이동과 초점 조정, 심도 합성까지 자동으로 실행하므로 샘플의 위치를 조정해야 하는 번거로움이 없을 뿐만 아니라, 효율적으로 관찰할 수 있습니다.
현미경에 의한 휘스커 관찰의 과제 해결
기존의 과제: 지금까지 이용된 광학 현미경의 경우
휘스커의 형상이 입체적이거나 휘스커가 발생한 샘플이 입체적인 경우, 일부에만 초점이 맞았습니다.
또한, 경사 관찰을 실시할 수 없기 때문에 관찰 위치를 조정하는 시간이 오래 걸리고 관찰의 난이도가 높아 숙련도가 필요했습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는
고분해능 HR 렌즈와 전동 리볼버에 의한 「심리스 줌」으로 20~6000배까지 렌즈 교환 없이 선명한 4K 화상으로 확대 관찰할 수 있습니다.
- A.고분해능 HR 렌즈
- B.전동 리볼버
또한, 표면에 휘스커로 인한 요철이 있더라도 심도 합성을 포함하는 「내비게이션 라이브 합성」으로 배율·해상도는 변경하지 않고 대상 물체 전체에 초점을 맞출 수 있습니다. 전체에 풀 포커스를 맞춘 화상에서 관찰하려는 부분을 클릭만 하면 스테이지 이동과 초점 합성까지 자동으로 실행하여 작업 효율이 비약적으로 향상합니다.
「프리 앵글 관찰 시스템」과 「고정도 X·Y·Z 전동 스테이지」를 이용하여 기존의 현미경으로는 불가능했던 경사 관찰을 실현합니다. 자유로운 앵글, 관찰 위치를 통해 결절(혹) 형상으로 성장한 휘스커를 효과적으로 관찰할 수 있습니다.
입체적으로 성장하는 휘스커 관찰의 새로운 기준
고정도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 그 밖에도 「3D 치수 측정」에 의한 휘스커의 3D 형상 측정과 프로파일 측정, 과거 촬영 조건의 자동 재현, 리포트 작성 기능 등 여러 기능이 탑재되었습니다.
입체적으로 성장하는 휘스커의 관찰·해석, 그리고 계측을 정량화·효율화할 수 있으므로, 현미경이나 SEM을 대신하는 새로운 툴로서 전기 제품 및 전자 디바이스 등에 관한 다양한 현장에 큰 이점을 가져다 줍니다.
「VHX 시리즈」에 관한 자세한 내용을 알아보시려면 아래의 버튼을 클릭하여 카탈로그를 다운로드하시거나 부담 없이 상담·문의해 주시기 바랍니다.
