[논문]전해도금 Cu와 Sn-3.5Ag 솔더 접합부의 Kirkendall void 형성과 충격 신뢰성에 관한 연구

김종연; 유진

전해도금 Cu와 Sn-3.5Ag 솔더 접합부의 Kirkendall void 형성과 충격 신뢰성에 관한 연구
A Study of Kirkendall Void Formation and Impact Reliability at the Electroplated Cu/Sn-3.5Ag Solder Joint 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.15 no.1, 2008년, pp.33 - 37

김종연 (한국과학기술원 신소재공학과 전자패키지재료연구센터) , 유진 (한국과학기술원 신소재공학과 전자패키지재료연구센터)

초록
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Kirkendall void는 전해도금 Cu/Sn-Ag 솔더 접합부에서 형성되었으며 Cu 도금욕에 함유되는 첨가제에 의존한다. 첨가제로 사용된 SPS의 함량의 증가와 함께 $150^{\circ}C$에서 열처리 후 많은 양의 Kirkendall void가 $Cu/Cu_3Sn$ 계면에 존재하였다. AES 분석은 void 표면에 S가 편석되어 있음을 보여주었다. $Cu/Cu_3Sn$ 계면을 따라 파괴된 시편에서 Cu, Sn, S peak만 검출되었고 AES 깊이 프로파일에서 S는 급격하게 감소하였다. $Cu/Cu_3Sn$ 계면에서 S 편석은 계면에너지를 낮추고 Kirkendall void 핵생성을 위한 에너지장벽을 감소시킨다. 낙하충격시험은 SPS를 사용하여 도금된 Cu의 경우 Kirkendall void가 형성된 $Cu/Cu_3Sn$ 계면에서 파괴가 진행되고 급격하게 신뢰성이 감소됨을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A noticeable amount of Kirkendall voids formed at the Sn-3.5Ag solder joint with electroplated Cu, and that became even more significant when an additive was added to Cu electroplating bath. With SPS, a large amount of voids formed at the $Cu/Cu_3Sn$ interface of the solder joint during thermal aging at $150^{\circ}C$. The in-situ AES analysis of fractured joints revealed S segregation on the void surface. Only Cu, Sn, and S peaks were detected at the fractured $Cu/Cu_3Sn$ interfaces, and the S peak decreased rapidly with AES depth profiling. The segregation of S at the $Cu/Cu_3Sn$ interface lowered interface energy and thereby reduced the free energy barrier for the Kirkendall void nucleation. The drop impact test revealed that the electrodeposited Cu film with SPS degraded drastically with aging time. Fracture occurred at the $Cu/Cu_3Sn$ interface where a lot of voids existed. Therefore, voids occupied at the $Cu/Cu_3Sn$ interface are shown to seriously degrade drop reliability of solder joints.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

AES peak 분석을 위한 주 전자빔 에너지와 전류는 각각 5KeV와 200nA였고 AES 깊이 프로파일은 5><1(哓贝의 Ar 분위기 에서 3KeV 에너지와 80卩A/cm²의 전류밀도에서 수행되었다. 낙하 충격시험은 솔더접합부의 기계적 신뢰성을 평가 중}기 위하여 수행되었다. 두개의 FR4 PCB를 Sn-3.
낙하충격시험은 Cu/CihSn 계면에 발생하는 KirkendaU void가 기계적신뢰성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 시행되었다. 열처리 시간에 따라 충격 시편의 파괴가 발생되는 평균횟수를 Fig.
솔더 접합부에 형성된 Kirkendall void는 전자 패키지의 기계적, 전기적 신뢰성을 급격히 떨어뜨리는 요인이 되므로 솔더에 Zn를 첨가하거나 Cu-Ni 합금을 사용하여 계면반응을 변화시킴으로써 Kirkendall void 형성을 억제하는 연구가 진행되고 있지만3), 6)근본적으로 발생 원인을 규명하는 것은 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 전해 도금조건을 변화시 켜 Cu 도금막에 함유되는 불순물이 Kirkendall void 형성에 미치는 영향을 체계적으로 조사하였다. 또한 낙하충격시험을 통하여 Kirkendall void 형성이 기계적신뢰성에 어떠한 영향을 미치는지 확인하였다.

제안 방법

5Ag로 접합 후 3><10%阪의 진공에서 파단하였다. AES peak 분석을 위한 주 전자빔 에너지와 전류는 각각 5KeV와 200nA였고 AES 깊이 프로파일은 5><1(哓贝의 Ar 분위기 에서 3KeV 에너지와 80卩A/cm²의 전류밀도에서 수행되었다. 낙하 충격시험은 솔더접합부의 기계적 신뢰성을 평가 중}기 위하여 수행되었다.
따라서 Cu/C/Sn 계면에 형성되어 있는 void 표면에 불순물이 편석되는 현상을 AES를 사용하여 조사하였다. AES 분석시편은 리플로우된 후 15(TC에서 192시간 열처리되었으며 진공에서 파단시킨 후 Fig. 3의 AES 스펙트럼과 깊이 프로파일, 파단면을 얻었다. 솔더접합부는 Cu/CihSn 계면을 따라 파괴가 발생하며 Fig 3(a)의 파단면을 살펴보면 대략 0.
Table 1과 같이 도금욕에 첨 가제를 조절하여 Cu/솔더 접합부에서의 계면반응을 관찰하였다. Bis-(sodium sulfopropyl)-disulfide(SPS), C₆H₁₂O₆S4 N"가 Cu 도금욕의 첨가제로 사용되었다.
낙하 충격시험은 솔더접합부의 기계적 신뢰성을 평가 중}기 위하여 수행되었다. 두개의 FR4 PCB를 Sn-3.5Ag 솔더로 접 합하여 제작하였으며 JESD22- B111 규격에 따라 시행되었고 충격시편의 저항값이 20Q이상이 되면 계면에서 파괴가 진행된 것으로 간주하였다.
본 연구에서 도금욕에 SPS 함량을 증가하였을 때 솔더접합부의 계면에 KirkendaU void가 증가한 현상은 Cu 도금막 내부의 불순물 함량이 높아진 것으로 예측된다. 따라서 Cu/C/Sn 계면에 형성되어 있는 void 표면에 불순물이 편석되는 현상을 AES를 사용하여 조사하였다. AES 분석시편은 리플로우된 후 15(TC에서 192시간 열처리되었으며 진공에서 파단시킨 후 Fig.
따라서 본 연구에서는 전해 도금조건을 변화시 켜 Cu 도금막에 함유되는 불순물이 Kirkendall void 형성에 미치는 영향을 체계적으로 조사하였다. 또한 낙하충격시험을 통하여 Kirkendall void 형성이 기계적신뢰성에 어떠한 영향을 미치는지 확인하였다.
전해도금 Cu와 Su35Ag 솔더접합부에서 계면반응과 AES 분석, 낙하충격시험을 통하여 Kirkendall void 형성이 가속화되는 원인과 기계적 신뢰성에 미치는 영향을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

관찰하였다. Bis-(sodium sulfopropyl)-disulfide(SPS), C₆H₁₂O₆S4 N"가 Cu 도금욕의 첨가제로 사용되었다. OFHC Cu는 전해도금 Cu와 계면반응을 비교하기 위하여 사용되었다.
두 시편 모두 솔더접합부에서취성파괴가 발생하였지만 파괴경로는 완전히 다름을 알 수 있다. Cu foil의 경우 Cii3Sn/Cii6Sn5계면에서 파괴가 진행되었지만 SPS를 사용하여 전해 도금된 Cu는 CWC₁₁3S11 에 형성되는 있는 Kirkendall void를 따라 파괴가 진행되었다. 이것은 솔더접합부에 Kirkendall void의 형성으로 Cu/CihSii의 계면의 화학적 결합력이 매우 약해져 파괴가 쉽게 진행되기 때문이다.

성능/효과

1. 전해도금구리 에서 만 Kirkendall void가 관찰 되 었고 SPS의 함량이 증가함에 따라 void의 양은증가하였고 Cu3Sn 내부에서 CU/CU3S11 계면으로 분포되었다.
2. Cu/Cu3Sn 계면에 분포하는 Kirkendall void는 Cu3Sn 금속간화합물로 Cu가 확산되는 것을 방지하여 열처리시간이 증가하면서 CibSn이 ays%로상변화하였다.
3. AES 분석은 도금된 Cu막의 내부에 잔존하는 S가 void 표면으로 편석되는것을 보였고 Kirkendall void 형성을 가속화시키는 가장 큰 원인임을 증명하였다.
4. Cu/Cu3Sn 계면에 Kirkendall void가 형성되면 낙하 충격 시 취성 파괴가 발생하고 기계적 신뢰성이 매우 낮음이 확인되었다.
것으로 알려져 있다. 본 연구에서 도금욕에 SPS 함량을 증가하였을 때 솔더접합부의 계면에 KirkendaU void가 증가한 현상은 Cu 도금막 내부의 불순물 함량이 높아진 것으로 예측된다. 따라서 Cu/C/Sn 계면에 형성되어 있는 void 표면에 불순물이 편석되는 현상을 AES를 사용하여 조사하였다.

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