[논문]다양한 조성의 Sn-Ag-Cu 합금계 무연 솔더볼과 ENIG(Electroless Ni Immersion Gold), Cu-OSP(Oraganic Solderability Preservertive) 금속 패드와의 계면 반응 연구

박용성; 권용민; 손호영; 문정탁; 정병욱; 강경인; 백경욱

다양한 조성의 Sn-Ag-Cu 합금계 무연 솔더볼과 ENIG(Electroless Ni Immersion Gold), Cu-OSP(Oraganic Solderability Preservertive) 금속 패드와의 계면 반응 연구
A Study of the Interfacial Reactions between Various Sn-Ag-Cu Solder Balls and ENIG (Electroless Ni Immersion Gold) and Cu-OSP (Organic Solderability Preservative) Metal Pad Finish 원문보기

박용성 (한국과학기술원 신소재공학과) , 권용민 (한국과학기술원 신소재공학과) , 손호영 (한국과학기술원 신소재공학과) , 문정탁 (엠케이 전자) , 정병욱 (엠케이 전자) , 강경인 (엠케이 전자) , 백경욱 (한국과학기술원 신소재공학과)

본 논문에서는 다양한 조성의 주석-은-구리 합금계 솔더볼과 ENIG 및 Cu-OSP 패드와의 계면 반응에 대해 연구하였다. ENIG 패드와 미량의 Sb이 첨가된 합금 솔더와의 계면 반응 시 다른 솔더에 비해 매우 얇은 100 nm 내외의 두께를 가진 P-rich Ni layer가 형성되었다. 미량의 Ni이 첨가된 합금 솔더와 Cu-OSP 금속 패드와의 계면 반응 시에는 다른 솔더와는 달리 균일한 두께의 $Cu_6Sn_5$ 금속간화합물이 형성되었으며 추가 리플로우 시에 금속간화합물 입자가 거의 성장하지 않았다. 또한 $150^{\circ}C$의 장시간 열처리 시에 다른 솔더에 비해 매우 얇은 두께의 $Cu_3Sn$ 금속간화합물이 형성되었다.

In this study, we investigated the interfacial reactions between various Sn-Ag-Cu(SAC) solder alloys and ENIG(Electroless Ni Immersion Gold) and Cu-OSP(Organic Solderability Preservative) pad finish. In the case of the interfacial reaction between Sb added SAC solder and ENlf thinner P-rich Ni layer was formed at the interface. In the case of the interfacial reaction between Ni added SAC solder and Cu-OSP, the uniform $Cu_6Sn_5$, intermetallic compounds(IMCs) were formed and $Cu_6Sn_5$ grain did not grow after multiple reflows. Thinner $Cu_3Sn$ IMCs were farmed at the interface between $Cu_6Sn_5$ and Cu-OSP after $150^{\circ}C$ thermal aging.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 다양한 조성의 주석-은-구리 합 금계 무연 솔더 와 ENIG 및 Cu-OSP 패드와의 계면 반응을 관찰하였다. 리플로우 및 열처리 이후 기판의 금속 패드와 반응이 일어난 시편의 단면을 전자 주사 현미 경(SEM : Scanning Electron Microscope)을 이용해 계면에 형성되는 금속간 화합물을 관찰하였고 EDS (Electron Dispersive Spectroscopy)분석을 통해 각 금속간 화합물의 조성을 확인하였다.

제안 방법

5Sb 솔더 에서 는 이 P-rich Ni layer의 두께 가 100 nm 내외로 다른 솔더에 비해 매우 얇게 형성된 것을 확인할 수 있다. 그 이유를 알아보기 위해 각 솔더에 형성된 (Cu, Ni)6Sn5 금속간화합물의 조성 분석을 EDS를 통해 실시 하였고 그 결과를 Fig. 5와 Table 1 에 나타내었다. Sn-l.
SEM 사진은 Backscattered electron (BSE) mode이 며, 가속 전압은 20kV이 고 working distance는 10 mm이다. 또한 EDS 분석 을통해 금속간화합물의 조성을 확인하였다. 금속간화합물의 두께는 금속간화합물의 총면적을 구한 뒤 길이로 나눈 값을 사용하였다.
2), 리플로우 이후 약 80℃의 증류수로 10분간 flux cleaning 을 수행하였다. 또한 보다 명확한 금속간화합물의 관찰을 위해 솔더 에칭을 수행하였다.
반응을 관찰하였다. 리플로우 및 열처리 이후 기판의 금속 패드와 반응이 일어난 시편의 단면을 전자 주사 현미 경(SEM : Scanning Electron Microscope)을 이용해 계면에 형성되는 금속간 화합물을 관찰하였고 EDS (Electron Dispersive Spectroscopy)분석을 통해 각 금속간 화합물의 조성을 확인하였다.
솔더볼과 각각의 금속 패드와의 계면 반응을 관찰하기 위해 각각 1, 3, 5회 리플로우를 수행한 시편과 150℃ 에서 250, 500, 750 시간 열처리한 시편을 cross sectioning 하여 SEM을 통해 금속간화합물을 관찰하였다. SEM 사진은 Backscattered electron (BSE) mode이 며, 가속 전압은 20kV이 고 working distance는 10 mm이다.

대상 데이터

% Cu 와 17~23 at.% Ni이 포함된 (Cu, Ni)6Sn5상으로 밝혀졌다. 그러나 Fig.
5Sb 솔더이며, 솔더볼의 직경은 400 mm이다. BGA 기판은 Fig. 1과같이 각각 ENIG와 Cu-OSP 처리된 두 가지를 준비 하였다. Pad openinge 350 mm, pitch는 750 mm 로 두 BGA 기판 모두 동일하다.
실험에 사용된 솔더볼은 주석-은-구리 3원계 합금 솔더로서 기준 조성 인 Sn-3.OAg-O.

성능/효과

14 에 나타내었다. 1회 리플로 우에 비해 조가비 형태의 금속간화합물이 리플로우 횟수에 증가함에 따라 보다 크게 성 장하여 두꺼워 진 것을 확인할 수 있었다. 그러나 Sn-1.
모든 솔더에서 Cikm 금속간화합물과 Cu 패드 사이에 새로운 상의 금속간 화합물이 발견되었으며 이는 조성 분석 결과 CieSn상으로 밝혀졌다. Cu3Sn 미세한 크기의 Kirkendall void를 포함하고 있으며 열처리 시간이 길어질수록 금속간화합물의 두께 가 증가할 뿐 아니라 void의 크기 도 커 지는 것을 확인하였다. 그러나 Sn-l.
Sn-l.2Ag-0.5Cu-0.05Ni-0.01Ge 을 제외한 모든 솔더에서 조가비 모양의 금속간화합물이 발견되었고 EDS 조성 분석 결과 CikSns상으로 확인되 었다. 그러나 Sn-l.
22에 나타내 었다. 모든 솔더에서 Cikm 금속간화합물과 Cu 패드 사이에 새로운 상의 금속간 화합물이 발견되었으며 이는 조성 분석 결과 CieSn상으로 밝혀졌다. Cu3Sn 미세한 크기의 Kirkendall void를 포함하고 있으며 열처리 시간이 길어질수록 금속간화합물의 두께 가 증가할 뿐 아니라 void의 크기 도 커 지는 것을 확인하였다.
18에 나타내었다. 추가 리플로우가 진행될수록 Sn-1.2Ag-0.5 Cu-0.05Ni-0.01Ge 솔더 는 금속간화합물 입 자가 거의 성장하지 않는 것이 확인되었다.

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