[논문]솔더 조인트 신뢰성 향상을 위한 무전해 니켈-도금의 표면형상 제어

이동준; 최진원; 조승현

솔더 조인트 신뢰성 향상을 위한 무전해 니켈-도금의 표면형상 제어
Study on Surface Morphology Control of Electroless Ni-P for Reliability Improvement of Solder Joints 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.15 no.3, 2008년, pp.27 - 33

이동준 (삼성전기(주) 중앙연구소) , 최진원 (삼성전기(주) 중앙연구소) , 조승현 (삼성전기(주) 중앙연구소)

초록
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PDA, 핸드폰과 같은 포터블 제품의 사용이 급증함에 따른 전자 제품의 사용 환경의 변화는 제품의 솔더 조인트 신뢰성을 더욱 필요로 하게 되었다. 무전해 니켈/금 도금 표면 처리는 솔더링 특성이 우수하고, 표면처리 두께가 균일하며 패키징 공정에서 사용되는 광학설비에서 인식이 잘되기 때문에 미세피치 SMT 디바이스와 BGA 기판에 폭넓게 사용되고 있다. 그러나 무전해 니켈/금 도금 표면과 솔더 계면에서 발생되는 취성 파괴가 문제점으로 지적되고 있다. 솔더의 취성 파괴는 솔더링시 금속간 화합물과 무전해 니켈층 사이에 형성된 P-rich 영역의 갈바닉 니켈 부식에 의한 black pad 현상에 기인한다. 이론적으로 평탄한 무전해 Ni표면은 무전해 금도금 과정 중 도금액의 균일하게 순환되기 때문에 black pad 발생을 억제하는 장점을 가지고 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 무전해 Ni층의 표면형상을 어떻게 제어 할지에 대한 연구는 충분히 이루어 지지 않고 있다. 본 연구에서는 Cu 하지층의 표면 형상이 무전해 Ni층의 표면 형상에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 이를 위해 Cu 에칭액과 Cu에칭 처리 횟수를 변화시켜 Cu 하지층의 표면 형상을 다양하게 변화시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

With increasing use of portable appliances such as PDA and cellular phone, changing environment of applications requires higher solder joint reliability. The ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) process has been widely used for fine pitch SMT (Surface Mount Technology) and BGA (Ball Grid Array) packaged devices due to its benefits including excellent solderability, high uniformity and substantial legibility throughout the packaging process. Its brittle fracture of solder, however, has received increasingly attentions. It was Down that fracture brittleness is mainly related with black pad resulting from galvanic nickel corrosion and P-enriched layer formation between the IMC (Intermetallic Compounds) and electroless nickel layer. Theoretically, smooth electroless Ni layer was blown to have a advantages in minimizing the black pad phenomenon by uniform solution exchange during immersion gold plating. Nevertheless, how to control the surface morphology of electroless Ni layer has been hardly blown. This study investigates an effect of surface morphology of Cu underlayer on surface morphology of electroless Ni layer. To obtain various kinds of surface morphology of Cu layer, two types of Cu etching chemical and a number of Cu etching treatment were applied.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험결과를 고찰하기에 앞서 간략히 무 전해 니켈 금도금 전처리 과정의 표면조도의 변화를 살펴보았다. 무전해 니켈과 immersion 금도금 전 그림 2와 같이 알카리세정, 산세정, Cu 에칭, Pd 활성 등의 전처리 공정을 거치게 된다.
본 실험에서 무전해 니켈층과 솔더간의 취성파괴의 주요 원인인 black pad를 최소화 하여 솔더의접합신뢰성을 향상 할 수 있는 무전해 니켈층 조직을 형성시키기 위하여 전해 도금된 Cu를 에칭 조건과 처리 방법을 변화시켜 분석하였다.
본 연구는 이러한 무전해 니켈 층의 표면 형상에 미치는 인자를 파악하는데 주목적을 두었다. 특히 nodule 구조의 형 상과 Cu 하지 층의 표면형 상과의 관계를 연구하였다.

가설 설정

이렇게 CZ 처리된 Cu 하지층이 무전해 니켈금도금 공정 직전의 기본적인 형상이 된다. 그림 3(b)와 같이 거친 표면을 갖는 Cu 하지층은 산세 후 표면구조에 큰 변화가 없다. 다만 0.

제안 방법

2 jim회 의 에 칭 속도로 표 1과 같이 처리 횟수를 변화하며 에칭하였다. Cu 표면 형태에 따른 무전해 니켈 층의 성장 거동을 분석하기 위해 5초간 무전해 니켈을 도금 후 표면 형상을 분석하였으며 이후 8 pm의 무전해 니켈 층을 도금 후 표면의 nodule과 crevice의 형태를 관찰하였다. 무전해 니켈 도금층은 도금층 내에 함유되는 인함량에 따라 저 인(低燐)형, 중인(中燐)형, 고인(高燐) 형으로 나뉘는 데 여기서는 약 6wt%의 인을 함유하는 중인형 무전해 니켈 도금층이다.
Cu 하지층의 표면 형상 변화에 따른 무전해 니켈 도금층의 표면형상을 고찰하기 위하여 표 1과같이 Cu 에칭 용액과 횟수에 변화를 주면서 표면 형상을 변화시켰다. 황산에 강한 산화제를 포함하는 기존의 S/E 액은 에칭 횟수 등의 변화를 주어도 큰 표면형상의 변화가 없기 때문에 앞에 언급한 CZ 처리를 이용하여 기존의 S/E에 의한 표면형 상과는 다른 에칭액에 의하여 표면형상을 크게 변화시켰다.
무전해 니켈 도금층은 도금층 내에 함유되는 인함량에 따라 저 인(低燐)형, 중인(中燐)형, 고인(高燐) 형으로 나뉘는 데 여기서는 약 6wt%의 인을 함유하는 중인형 무전해 니켈 도금층이다. Cu와무전해 니켈 층의 표면조도 Ra는 Veeco Instrument 사의 Wyko SP3200으로 측정 하였으며 이와 무전해 니 켈 층의 표면 형 상은 SEM(Scanning Electron Microscopy)과 광학 현미경으로 관찰하였다.
테스트 기판은 그림 2와 같이 전해 Cu로 테스트 패턴을 형성하고 이를 PSR (Photo Solder Resist)로 도포 후 솔더볼이 실장 될 부분을 선택적으로 현상하여 I/O (Input/Output) 단자를 형성하였다. PSR을 도포 전 PSR과 전해 Cu 와의 접착력을 향상시키기 위해 CZ 처리를 하였다. 또한 다양한 Cu 표면 형 상에 따른 무전해 니켈층의 표면 형상의 변화를 관찰하기 위해 무전해니켈 금도금 전에 Cu를 에칭하였다.
특히 nodule 구조의 형 상과 Cu 하지 층의 표면형 상과의 관계를 연구하였다. 이를 위해서 무전해 니켈 금도금의 전처리 공정인 구리 에칭 단계에서 에칭 용액과 처리방법을 변화시켜 Cu 하지층의 표면 형상을 변화시 켰으며 이에 따른 무전해 니켈 표면 형상의 변화를 관찰하였다.
기판이 사용되었다. 테스트 기판은 그림 2와 같이 전해 Cu로 테스트 패턴을 형성하고 이를 PSR (Photo Solder Resist)로 도포 후 솔더볼이 실장 될 부분을 선택적으로 현상하여 I/O (Input/Output) 단자를 형성하였다. PSR을 도포 전 PSR과 전해 Cu 와의 접착력을 향상시키기 위해 CZ 처리를 하였다.
두었다. 특히 nodule 구조의 형 상과 Cu 하지 층의 표면형 상과의 관계를 연구하였다. 이를 위해서 무전해 니켈 금도금의 전처리 공정인 구리 에칭 단계에서 에칭 용액과 처리방법을 변화시켜 Cu 하지층의 표면 형상을 변화시 켰으며 이에 따른 무전해 니켈 표면 형상의 변화를 관찰하였다.
표 1의 조건으로 처리한 Cu 하지층에 중인(中燐)형 의 무전해 니 켈 도금하였으며 Cu 도금층의 표면 형태에 따른 무전해 니켈의 도금 특성을 관찰하기 위하여 무전해 니켈을 5초 진행 후 표면의 형상을 SEM으로 관찰하였다. 그림 7과 같이 무전해 니켈의 성장 경향은 Cu 하지층의 형상에 크게 의존하여 변화됨을 관찰할 수 있었다.

대상 데이터

본 실험에서 는 SMD (Solder Mask Defined) 형 태의 기판이 사용되었다. 테스트 기판은 그림 2와 같이 전해 Cu로 테스트 패턴을 형성하고 이를 PSR (Photo Solder Resist)로 도포 후 솔더볼이 실장 될 부분을 선택적으로 현상하여 I/O (Input/Output) 단자를 형성하였다.
또한 다양한 Cu 표면 형 상에 따른 무전해 니켈층의 표면 형상의 변화를 관찰하기 위해 무전해니켈 금도금 전에 Cu를 에칭하였다. 이를 위해 과수 (HQ, 와 황산 (H₂SO₄), 안정제로 구성된 일명 S/E (Soft Etching) 용액과 포름산과 CuCL로 구성된 CZ (Chemical Zet, MAC 사) 용액을 사용하였다. Cu 표면은 S/E와 CZ 용액을 사용하여 각각 3.

성능/효과

(1) 전해 도금된 Cu를 S/E과 CZ 처리를 통해 다양한 형태의 표면 구조를 얻을 수 있었으며 CZ 처리 횟수가 증가할수록 Cu 하지층의 표면구조는 미세한 벌집구조에서 조대한 벌집구조로 변화하였으며 S/E에 의하여 약 0.3 |im의 Ra 의 조도를 갖는 평활한 Cu 표면 조직이 형성되었다.
(2) S/E 하여 평활하고 조대한 결정면이 노출되거나 조밀하고 얕은 골의 벌집 모양의 Cu 하치 층에서 성장한 무전해 니켈의 경우 평탄한 표면 조직이 형성되었으며, 반면 조대하고 깊은 골의 벌집 모양의 표면조도를 보였던 CZ 처리한 Cu 하지 층에서 깊은 crevice와 조대한 nodule로 구성된 무전해 니켈 조직을 얻을 수 있었다.
(3) 무전해 니 켈 조직은 Cu 하지층의 표면 조도에 가장 밀접한 관계를 나타내며 Cu 하지층의 표면 조도에 따라 무전해 니켈의 표면구조를 변화시킬 수 있음을 알 수 있다. 특히 솔더 링 공정에서의 black pad 등의 신뢰성 측면을 고려하여 평 활한 무전해 니켈을 형성시키기 위해서는 Cu 하지층의 표면 조도를 조밀 한 CZ 표면을 유지 하거 나 S/E 처 리를 하여 평활한 표면구조로 변화 시켜야 한다.
의해 결정됨을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 무전해 니켈/금 도금의 전처리 공정 , 특히 구리 에칭 공정은 균일하고 평탄한 구조를 가져야 이후무전해 니켈의 표면형상 구조가 매우 평탄한 구조를 가질 수 있음을 알 수 있었으며 이로부터Immersion 금도금 공정 에서 야기 될 수 있는 black pad 현상을 줄일 수 있는 하나의 방법이 될 수 있다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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