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제안 방법
- 완성된 BGA 패키지는 멀티 리플로우를 수행하였다. 1회 리플로 우까지는 플럭스를 사용하였지만, 이후에는 플럭스 도포 공정 없이 리플로우 공정 만 수행하였다. 모든 리플로우 공정은 대기 중에서 수행되었다.
- % Pb이다.° 하지 만, CufiSn; 금속간화합물 형성에 따른 Sn의 소모로 인하여, Sn-rich 아공정 솔더 인 Sn-37Pb 솔더 볼은 10 회 리플로우 후 Pb-rich 과공정 조직 으로 변화하였다. Sn-Ag-Cu 솔더의 경우 Sn-Ag 솔더보다 더 미세한초정 Sn-rich 상이 생성되었다.
- 솔더볼과 상부 기판에 RMA (rosin mildly activated) 플럭스를 도포한 후, 리플로우 하여 솔더볼을 ball attach한 후, 플럭스 세척제를 사용하여 세정하였다. 계면 관찰과 볼 전단 시험용 시편의 경우, 이후 10회까지 멀티 리플로우를 수행하였다. 전기 저항 측정용 시편의 경우, 상부 기판과 하부 기 판에 다시 플럭스를 도포한 후 정 렬하여 리플로우 하여 die-attach를 수행한 후 세정하여 BGA 패키지를 완성하였다.
- 솔더 접합 패드는 SMD (solder mask defined) 타입으로 설계하였으며, 패드 개구부의 지름, 피치 크기 와 솔더 마스크의 높이는 각각 460 |im, 2 mm와 20 pirn 이 었다. 구리 패드는 리플로 우와 보관 중에 표면 산화를 방지하기 위해서, 기판 제조 시에 OSP 처리를 수행하였다.
- 금속간화합물 층의 성장에 따른 솔더 접합부의 기계적 특성의 변화를 관찰하기 위해서, 그림 7과같이 금속간화합물 층의 두께 에 따른 전단 강도의 변화를 도시하였다. Sn-Pb 솔더의 경우 금속간화합물 층의 두께 가 약 2.
- OSP (organic solderability preservative) 처 리는 공정 이 간단하고 제조단가가 저렴하기 때문에 최근각광을 받고 있는 표면처리 기술이다. 따라서 본연구에서는 다양한 조성의 솔더볼을 OSP 처리한 BGA (ball grid array) 기 판 상에 실장한 후, 멀티 리플로우 공정에 따른 접합부의 기계적 . 전기적 특성의 변화를 연구하였다.
- 리 플로우 공정 을 마무리 한 후, 솔더 접 합부를 수직으로 고정하기 위해서, 에폭시 수지를 사용하여 마운팅 (mounting)하였다. 마운팅된 시편은 연마지와 알루미나 파우더를 사용하여 접합부 단면이 노출되도록 폴리싱을 실시하였다.
- 리플로우 횟수 및 솔더 조성에 따른 전기적 특성을 평가하기 위해서, 20개의 솔더볼을 daisy- chain으로 연결하여 그 저항을 측정하고자 하였다. 솔더볼 20개와 이를 서로 연결하는 19개의 Cuinterconnection으로 daisy-chain을 구성 하였다.
- 리플로우 횟수 및 솔더의 조성을 달리하여 실장 된 BGA 패키지는 상온 시효 효과를 최소화하기 위해서, 리플로우 후 3, 600±600 초 후에 접합 시험기 (PTR-1000, Rhesca Co., Japan)를 사용하여 볼 전단 시험을 실시하였다. 전단 시험은 JEDEC 규격 (JESD22-B117)을 따라 수행하였다.
- 리플로우 횟수 증가에 따른 OSP 처리된 BGA 기판에 실장된 Sn-37Pb, Sn-3.5Ag, Sn-3.5Ag- 0.75CuBGA 솔더 접합부들의 미세 조직의 변화를 관찰하고, 기계적전기적 특성을 비교연구하여, 다음과 같은 결론을 내릴 수 있었다.
- 리플로우 후, Sn-Pb와 Sn-Ag-(Cu) 솔더는 (土双班 금속간화합물과 함께 각각 Sn-rich와 Pb-rich 상들로 이루어진 공정 조직 과 Sn-rich와 Ag3Sn 상들로 이루어진 공정 조직으로 이루어졌다. SEM 관찰 결과, 리플로우 횟수와 솔더의 조성에 상관없이, 솔더와 기판 사이의 접합 계면에는 연속적인 CufiSns 금속간화합물 층이 생성되었으며, 그 층의 두께 는 리플로우 횟수가 증가함에 따라 점차 증가하였다.
- (mounting)하였다. 마운팅된 시편은 연마지와 알루미나 파우더를 사용하여 접합부 단면이 노출되도록 폴리싱을 실시하였다. 폴리싱된 플립칩 범프 단면은 특정한 에칭 공정 없이 백금 코팅한 후, 주사전자현미경 (SEM: scanning electron microscopy)의 후방산란전자이 미지 (BSI: back- scattered electron image) 모드를 사용하여 접 합부단면을 관찰하였다.
- 6 mm 두께의 FR-4 기판을 사용하였다. 솔더 접합 패드는 SMD (solder mask defined) 타입으로 설계하였으며, 패드 개구부의 지름, 피치 크기 와 솔더 마스크의 높이는 각각 460 |im, 2 mm와 20 pirn 이 었다. 구리 패드는 리플로 우와 보관 중에 표면 산화를 방지하기 위해서, 기판 제조 시에 OSP 처리를 수행하였다.
- 솔더 접합부만의 전기적 특성을 평가하기 위해서, 먼저 Cu interconnection의 전기 저항을 측정하였다. 그림 8은 리플로우 횟수가 증가함에 따라 Cu interconnection의 전기 저 항의 변화를 측정 한 결과이다.
- 하였다. 솔더볼 20개와 이를 서로 연결하는 19개의 Cuinterconnection으로 daisy-chain을 구성 하였다. 전류를 0.
- 리플로우 공정은 별도의 기판표면 세정 공정 없이 수행 하였다. 솔더볼과 상부 기판에 RMA (rosin mildly activated) 플럭스를 도포한 후, 리플로우 하여 솔더볼을 ball attach한 후, 플럭스 세척제를 사용하여 세정하였다. 계면 관찰과 볼 전단 시험용 시편의 경우, 이후 10회까지 멀티 리플로우를 수행하였다.
- Cu interconnectione 하나의 interconnection 의 저항을 측정한 후 19를 곱하여 전체 inter- connection의 저 항으로 환산하였으며, 패드의 면적은 0.166 mn?으로 고정 하였으며, 접 합부의 높이는 SEM 단면 사진을 통해서 측정하였다.
- 따라서 본연구에서는 다양한 조성의 솔더볼을 OSP 처리한 BGA (ball grid array) 기 판 상에 실장한 후, 멀티 리플로우 공정에 따른 접합부의 기계적 . 전기적 특성의 변화를 연구하였다.
- 전단 강도 변화의 원인을 관찰하기 위해서 전단시험 후 파단면을 SEM을 사용하여 관찰하였으며, 에너지 분산형 X-선 분광기(EDS: energy dispersive X-ray spectroscopy)를 사용하여 파단면을 분석 하였다.
- 솔더볼 20개와 이를 서로 연결하는 19개의 Cuinterconnection으로 daisy-chain을 구성 하였다. 전류를 0.01 A에서 0.1 A로 증가시키면서 전압을 측정하여, 그 기울기를 통하여 전기 저항을 측정하였다. 측정된 전기 저항은 식(1)을 이용하여 솔더접합부의 전기 비저항 (时을 측정하였다.
- 마운팅된 시편은 연마지와 알루미나 파우더를 사용하여 접합부 단면이 노출되도록 폴리싱을 실시하였다. 폴리싱된 플립칩 범프 단면은 특정한 에칭 공정 없이 백금 코팅한 후, 주사전자현미경 (SEM: scanning electron microscopy)의 후방산란전자이 미지 (BSI: back- scattered electron image) 모드를 사용하여 접 합부단면을 관찰하였다.
대상 데이터
- 계면 관찰과 볼 전단 시험용 시편과 전기 저항 측정용 시편으로 두 종류의 시편을 제작하였다. 리플로우 공정은 별도의 기판표면 세정 공정 없이 수행 하였다.
- 본 연구에서는 지름이 500 呻이고 Sn-37Pb, Sn- 3.5Ag와 Sn-3.5Ag-0.75Cu (all wt.%)와 같이 세 가지 조성의 솔더볼을 사용하였으며, 상부와 하부기판은 각각 0.8 mm와 1.6 mm 두께의 FR-4 기판을 사용하였다. 솔더 접합 패드는 SMD (solder mask defined) 타입으로 설계하였으며, 패드 개구부의 지름, 피치 크기 와 솔더 마스크의 높이는 각각 460 |im, 2 mm와 20 pirn 이 었다.
- 모든 리플로우 공정은 대기 중에서 수행되었다. 사용한 리플로우 머신은 적외선 방식의 4존 리플로우 머신 (RF-430-N2, Japan Pulse Laboratory Ltd. Co., Japan)이 었으며, 온도 프로파일은 그림 1과 같았다. Sn-Pb 솔더와 Sn-Ag-(Cu) 솔더의 리플로우최고 온도는 각각 225℃와 255℃이 었으며, 리플로우 시 간은 각각 70 초와 60초이 었다.
이론/모형
- , Japan)를 사용하여 볼 전단 시험을 실시하였다. 전단 시험은 JEDEC 규격 (JESD22-B117)을 따라 수행하였다. 최대 측정 하중이 5 kgf인 로드셀은 측정 전에 1 kgf 표준 분동을 사용하여 교정 하였다.
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