[국내논문]Ni/Au 및 OSP로 Finish 처리한 PCB 위에 스크린 프린트 방법으로 형성한 Sn-37Pb, Sn-3.5Ag 및 Sn-3.8Ag-0.7Cu 솔더 범프 계면 반응에 관한 연구 Studies on the Interfacial Reaction of Screen-Printed Sn-37Pb, Sn-3.5Ag and Sn-3.8Ag-0.7Cu Solder Bumps on Ni/Au and OSP finished PCB원문보기
In this study, three solders, Sn-37Pb, Sn-3.5Ag, and Sn-3.8Ag-0.7Cu were screen printed on both electroless Ni/Au and OSP metal finished micro-via PCBs (Printed Circuit Boards). The interfacial reaction between PCB metal pad finish materials and solder materials, and its effects on the solder bump j...
In this study, three solders, Sn-37Pb, Sn-3.5Ag, and Sn-3.8Ag-0.7Cu were screen printed on both electroless Ni/Au and OSP metal finished micro-via PCBs (Printed Circuit Boards). The interfacial reaction between PCB metal pad finish materials and solder materials, and its effects on the solder bump joint mechanical reliability were investigated. The lead free solders formed a large amount of intermetallic compounds (IMC) than Sn-37Pb on both electroless Ni/Au and OSP (Organic Solderabilty Preservatives) finished PCBs during solder reflows because of the higher Sn content and higher reflow temperature. For OSP finish, scallop-like $Cu_{6}$ /$Sn_{5}$ and planar $Cu_3$Sn intermetallic compounds (IMC) were formed, and fracture occurred 100% within the solder regardless of reflow numbers and solder materials. Bump shear strength of lead free solders showed higher value than that of Sn-37Pb solder, because lead free solders are usually harder than eutectic Sn-37Pb solder. For Ni/Au finish, polygonal shaped $Ni_3$$Sn_4$ IMC and P-rich Ni layer were formed, and a brittle fracture at the Ni-Sn IMC layer or the interface between Ni-Sn intermetallic and P-rich Ni layer was observed after several reflows. Therefore, bump shear strength values of the Ni/Au finish are relatively lower than those of OSP finish. Especially, spalled IMCs at Sn-3.5Ag interface was observed after several reflow times. And, for the Sn-3.8Ag-0.7Cu solder case, the ternary Sn-Ni-Cu IMCs were observed. As a result, it was found that OSP finished PCB was a better choice for solders on PCB in terms of flip chip mechanical reliability.
In this study, three solders, Sn-37Pb, Sn-3.5Ag, and Sn-3.8Ag-0.7Cu were screen printed on both electroless Ni/Au and OSP metal finished micro-via PCBs (Printed Circuit Boards). The interfacial reaction between PCB metal pad finish materials and solder materials, and its effects on the solder bump joint mechanical reliability were investigated. The lead free solders formed a large amount of intermetallic compounds (IMC) than Sn-37Pb on both electroless Ni/Au and OSP (Organic Solderabilty Preservatives) finished PCBs during solder reflows because of the higher Sn content and higher reflow temperature. For OSP finish, scallop-like $Cu_{6}$ /$Sn_{5}$ and planar $Cu_3$Sn intermetallic compounds (IMC) were formed, and fracture occurred 100% within the solder regardless of reflow numbers and solder materials. Bump shear strength of lead free solders showed higher value than that of Sn-37Pb solder, because lead free solders are usually harder than eutectic Sn-37Pb solder. For Ni/Au finish, polygonal shaped $Ni_3$$Sn_4$ IMC and P-rich Ni layer were formed, and a brittle fracture at the Ni-Sn IMC layer or the interface between Ni-Sn intermetallic and P-rich Ni layer was observed after several reflows. Therefore, bump shear strength values of the Ni/Au finish are relatively lower than those of OSP finish. Especially, spalled IMCs at Sn-3.5Ag interface was observed after several reflow times. And, for the Sn-3.8Ag-0.7Cu solder case, the ternary Sn-Ni-Cu IMCs were observed. As a result, it was found that OSP finished PCB was a better choice for solders on PCB in terms of flip chip mechanical reliability.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 PCB의 전도성 구리 패턴 위에 Ni /Au 및 OSP의 두 가지 finish 처리를 하고, Sn-37Pb 및 Sn-3.5Ag와 Sn-3.8Ag-0.7Cu 조성의 무연 (lead free) 솔더 범프를 스크린 프린팅 방법으로 형성시켜, 리플로 공정 중 형성되는 금속간 화합물 (Intermetallic Compound, IMC) 의 성장 거동이 PCB와 솔더 접합부의 기계적 안정성에 미치는 영향을 고찰해 보고자 한다.
제안 방법
전도성 구리 충 위에 solder mask를 패터닝 한 후 노출된 전도성 구리 층 위에 finish 처리를 하였다. Ni/Au finish는 노출된 구리 충에 palladium 처리 후 무전해 도금 방식으로 형성하였는데, 무전해 Ni 도금은 차아인산 나트륨 (NaHzPCh) 을 사용하여 pH 4.6-5.2 사이에서 도금을 수행하였으므로 무전해 Ni 막 내에 인 (phosphorous) 이 약 8-9 wt % 함유되어있고, 금 도금은 니켈 층의 산화를 방지하고 솔더의 납땜 성을 향상시키기 위하여 1000 A의 두께로 도금하였다. OSP finish는 benzoimidazole 화합물로 이루어진 용액에 담금 방식으로 도포 하였는데, 전해 도금 구리충의 표면에 구리 원자와 치환된 bezoimidazol이 층을 형성하여 구리 충의 산화를 방지하게 된다Fig.
본연구에서 사용한 PCB의 I/O 크기 및 간격 (pitch) 이 각각 120 um 및 230 zm 이기 때문에 솔더 페이스트는 금속 입자의 크기가 작고 함유량이 많은 것을 사용하였고, 프린팅 마스크는 electro-formed 방식으로 제조한 것을 사용하였다. 즉, 10 um 내외의 크기를 가지는 금속 입자의 함유량이 89.5 % 인 솔더 페이스트를 사용하여, 165 /m 지름의 열린 크기 (opening size) 를 가지는 75 um 두께의 프린팅 마스크를 이용하여 스크린 프린팅을 수행하였다. 리플로 공정은 Sn-37Pb 솔더의 경우에는 최고 온도 (peak temperature) 를 210 ± 5 ℃ 에서, Sn-3.
7Cu 조성의 무연 (lead free) 솔더의 경우에는 250 ±5 ℃ 에서 지속시간 (dwell time) 은 90초로 하였다. 리플로 시 솔더 범프의 표면이 산화되는 것을 방지하기 위하여 질소 분위기 하에서 리플로를 수행하였다. 플립칩을 사용한 패키지 (Flip-chip in Package) 제작시 솔더 범프는 PCB 위에 솔더 범프 제작 시 한 번, 칩과의 플립칩 접속 (assembly) 시에 한 번, 다음 단계의 패키지를 위한 ball mounting에서 한 번, repair 시 한 번 등 적어도 네 번의 솔더 리플로 공정을 거치므로 본 연구에서 사용된 시편에 대해 최대 4회 리플로를 수행하였다.
리플로 시 솔더 범프의 표면이 산화되는 것을 방지하기 위하여 질소 분위기 하에서 리플로를 수행하였다. 플립칩을 사용한 패키지 (Flip-chip in Package) 제작시 솔더 범프는 PCB 위에 솔더 범프 제작 시 한 번, 칩과의 플립칩 접속 (assembly) 시에 한 번, 다음 단계의 패키지를 위한 ball mounting에서 한 번, repair 시 한 번 등 적어도 네 번의 솔더 리플로 공정을 거치므로 본 연구에서 사용된 시편에 대해 최대 4회 리플로를 수행하였다. 솔더 페이스트에 사용된 플럭스는 no-clean 플럭스 였으나, 범프 전단 시험 (bump shear test) 에서의 오차를 줄이기 위하여 리플로 후 솔더 범프가 형성되면서 밖으로 빠져나온 플럭스는 tri- chloroethylne 용액을 사용하여 제거하였다.
앞에서 설명한 방법으로 형성된 솔더 범프에 대해 기계적 접속 강도 값을 알아보기 위하여 범프 전단 시험 (bump shear test) 을 수행하였다. 이 방법은 tip을 이용하여 각각의 범프를 옆에서 밀어 tip에 걸리는 최대의 힘을 측정하는 시험으로서 daisy 4000 series를 이용하여 테스트 높이는 PCB 의 솔더 마스크 층 위 3 um, 테스트 속도 100 W sec의 조건 하에서 각각 120개의 범프에 대한 측정값의 평균 및 오차를 구하였다.
test) 을 수행하였다. 이 방법은 tip을 이용하여 각각의 범프를 옆에서 밀어 tip에 걸리는 최대의 힘을 측정하는 시험으로서 daisy 4000 series를 이용하여 테스트 높이는 PCB 의 솔더 마스크 층 위 3 um, 테스트 속도 100 W sec의 조건 하에서 각각 120개의 범프에 대한 측정값의 평균 및 오차를 구하였다.
솔더와 PCB finishes 사이의 계면에서 반응 양상은 시편의 단면을 폴리싱 한 후, 메탄올:질산:염산을 각각 92:5: 3의 비로 혼합한 용액에서 3초간 Sn을 선택적으로 에칭한 다음 SEM (Scanning Electron Microscope) 으로 관찰하였다. 금속간 화합물의 구조 분석은 가로X세로 = lXlcm 크기의 시편에 솔더 페이스트를 85 um 두께로 도포한 다음, 앞서 설명한 조건으로 리플로 후 80℃ 의 35g/】 ortho- nitrophenol과 50g/l NaOH 혼합용액에서 30분동안 담가솔더를 모두 에칭하여 금속간 화합물만 남도록 한 후, X선 분석법을 이용하여 조사하였다.
금속간 화합물의 구조 분석은 가로X세로 = lXlcm 크기의 시편에 솔더 페이스트를 85 um 두께로 도포한 다음, 앞서 설명한 조건으로 리플로 후 80℃ 의 35g/】 ortho- nitrophenol과 50g/l NaOH 혼합용액에서 30분동안 담가솔더를 모두 에칭하여 금속간 화합물만 남도록 한 후, X선 분석법을 이용하여 조사하였다.
7Cu 솔더와 무전해 도금된 니켈이 반응하여 형성된 Sn-Ni-Cu 금속간 화합물 내의 Cu는 솔더 재료에 포함 되어 있던 Cu가 리플로 도중 혼입된 결과라고 알려지고 있다."", 본 연구에서 관찰된 Sn -Ni-Cu의 3상으로 이루어진 금속간 화합물을 SEM의 EDX point로 분석한 결과 조성이 Ni 34.14at %, Cu 7.1 at% 및 Sn 58.76 at% 이었으며, 구조를 알아보기 위하여 앞서 설명한 방법으로 제조한 시편을 이용하여 XRD 분석을 수행하였다. Fig.
전해도금 된 (electro-formed) 스크린 마스크 및 미세솔더 분말로 만들어진 페이스트를 이용해 스크린 프린팅 방법으로 120 jum pad opening 크기 및 230 피치 PCB 위에 150 um 지름을 가지는 솔더 범프를 PCB 기판 위에 성공적으로 형성하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 사용된 PCB는 하지 소재로 BT (Bis Triazinmaleimide) resin을 사용하였고, 전도성 구리 층은 전해 도금 방식을 사용하여 형성하였다. 전도성 구리 충 위에 solder mask를 패터닝 한 후 노출된 전도성 구리 층 위에 finish 처리를 하였다.
이 방법은 솔더 paste를 스크린 마스크의 구멍을 통해 통과시켜 원하는 위치에 적당한 양과 높이로 솔더 paste를 도포시키는 방법으로, 섬 구조를 가지는 패드 위에 솔더 범프를 형성할 수 있으며, 저가로 대량 생산이 가능하기 때문에 PCB 기판 위에 솔더 범프를 형성하기에 최적의 방번이라 할 수 있다. 본연구에서 사용한 PCB의 I/O 크기 및 간격 (pitch) 이 각각 120 um 및 230 zm 이기 때문에 솔더 페이스트는 금속 입자의 크기가 작고 함유량이 많은 것을 사용하였고, 프린팅 마스크는 electro-formed 방식으로 제조한 것을 사용하였다. 즉, 10 um 내외의 크기를 가지는 금속 입자의 함유량이 89.
이론/모형
PCB 위에 솔더 범프를 형성하는 방법은 스크린 프린팅 (screen printing) 방법을 사용하였다. 이 방법은 솔더 paste를 스크린 마스크의 구멍을 통해 통과시켜 원하는 위치에 적당한 양과 높이로 솔더 paste를 도포시키는 방법으로, 섬 구조를 가지는 패드 위에 솔더 범프를 형성할 수 있으며, 저가로 대량 생산이 가능하기 때문에 PCB 기판 위에 솔더 범프를 형성하기에 최적의 방번이라 할 수 있다.
성능/효과
그러나, 리플로 횟수가 점차 증가함에 따라 OSP finish의 경우와는 다른 형태의 파단면이 관찰되었는데, Sn-37Pb 솔더에서는 3회 리플로 이후에 금속간 화합물과 P-rich Ni 층 사이의 계면에서의 파단 (Mode IV 및 Mode V)가 주로 관찰되었고, 무연 솔더의 경우에는 2회 리플로 후부터 금속 간 화합물 층에서의 파단 (Mode II) 이 나타난 후 좀 더 리플로가 진행되면 금속간 화합물과 P-rich 층 사이의 계면에서의 파단 (Mode Ⅲ) 이 주로 발생되는 것이 관찰되었다. 무연 솔더의 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 Pb Sn의 경우에 비해 높은 리플로 온도 및 보다 많은 Sn의 함량에 의해 많은 양의 금속간 화합물이 형성되고, 특히 Sn- 3.
PCB의 OSP 및 Ni/Au metal finishes와 Sn-37Pb, Sn-3.5Ag, 그리고 Sn-3.8Ag-0.7Cu 솔더 범프 사이의 계면 반응에 의한 금속간 화합물의 형태를 조사한 결과, PCB metal finish 종류 및 솔더 재료의 조성에 따라 계면에 형성되는 금속간 화합물의 형상 및 종류가 달라져 솔더범프의 접속 강도 값이 변화하는 것을 확인하였다.
OSP finish의 경우에는 솔더 재료에 따라 그 양의 차이는 있었지만 모두 조가비 형태의 CusSm 및 그 아래 면에 평탄한 형태의 CusSn 금속간 화합물의 상이 형성되어 전단시험 시 응력이 집중되는 면이 없이 솔더 내에서 파단이 일어나 솔더 범프의 접속 강도 값이 솔더 재료의 강도 값에 비례함을 확인할 수 있다. 그러나, Ni/Au finish 경우에는 솔더 재료에 따라 다양한 형태의 금속간 화합물이 형성되며, 리플로 횟수가 증가함에 따라 솔더 범프의 접속 강도 값이 OSP finish의 경우에 비해 크게 감소하는 것을 확인하였다.
확인할 수 있다. 그러나, Ni/Au finish 경우에는 솔더 재료에 따라 다양한 형태의 금속간 화합물이 형성되며, 리플로 횟수가 증가함에 따라 솔더 범프의 접속 강도 값이 OSP finish의 경우에 비해 크게 감소하는 것을 확인하였다. Sn-37Pb 및 Sn-3.
7Cu 솔더의 경우에는 리플로 시 솔더 내의 Cu가 금속간 화합물 형성 반응에 참여하여 각지지 않은 형태의 Sn-Ni-Cu의 3상으로 금속간 화합물 형성되었고, 형성된 금속간 화합물이 계면에 잘 붙어있음으로 인해 3회 리플로까지는 대부분의 파단이 금속간화합물 층에서 관찰되었다. 그러나, 리플로 횟수가 증가하게 되면 Sn-3.8Ag-0.7Cu 솔더에서도 P-rich Ni 충에서의 파단이 증가하여 범프 접속강도 값이 크게 감소함을 알 수 있었다.
참고문헌 (16)
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