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문제 정의
- 본 연구는 ENIG로 표면 처리를 한 printed circuit board(PCB) 의 Cu 패드를 무연솔더인 Sn-3.5(wt%)Ag 솔더볼(solder ball)을 이용하여 접합한 경우에서 리플로우 횟수에 따른 기계적 전기적 특성 변화에 대하여 연구하였다.
- 본 연구에서는 전자패키지의 기계적·전기적신뢰성 확보를 위해 리플로우 횟수에 따른 솔더 접합 부위의 특성에 대하여 평가하였다.
제안 방법
- 솔더 접합부의 저항을 측정 할 수 있는 Kelvin structure을 구성하여 리플로우 횟수 증가에 따른 전기 저항 값의 변화를 측정하였다. Nanometer가 있는 4 point probe station(2182 A, Keithly Co., Ltd., USA)을 이용하여 전기 저항 값을 측정하였다.
- PCB Cu 패드 층 위에 Ni-P 층을 5 µm, immersion Au 층을 0.15 µm 무전해 도금을 실시하였다.
- 리플로우 횟수가 증가함에 따라서 솔더 접합부의 기계적 강도의 변화를 알아보기 위에 솔더 접합부의 전단시험을 실시하였다. 전단 시험 방법은 JEDEC 규격(JESD22-B117)을 따라 die 전단 시험을 수행하였으며, 전단 속도와 높이는 각각 0.
- 본 연구에서는 총 30개의 pad 중에서 9개의 솔더 접합부의 평균값을 측정하였다. 리플로우 횟수를 1회부터 10회까지 다양하게 하여 리플로우 횟수 증가에 따른 전단 강도의 변화를 측정하였다. Fig.
- 리플로우 후에 에폭시 수지를 사용하여 시편을 마운팅(mounting)한 후에 연마지와 알루미나 파우더를 사용하여 폴리싱을 하여 솔더 접합부의 단면을 관찰하였다. 금속간 화합물의 관찰을 위해서 주석 에칭액을 사용하여 에칭을 하였는데 에칭액의 조성은 95 vol% C2H5OH, 4vol% HNO3, 그리고 1 vol% HCl 이다.
- 4는 기계적 강도 시험을 위한 die shear 실험 모식 도와 조건이다. 본 연구에서는 총 30개의 pad 중에서 9개의 솔더 접합부의 평균값을 측정하였다. 리플로우 횟수를 1회부터 10회까지 다양하게 하여 리플로우 횟수 증가에 따른 전단 강도의 변화를 측정하였다.
- 이후 시편들을 10% 황산에서 약 10초 동안 클리닝 과정을 거친 후에 초음파 세척기로 세척하였다. 상부 PCB 위, 그리고 솔더볼에 RMA (rosin mildly activated) 플럭스를 도포한 후 리플로우 방식으로 ball attach 한 후에 플럭스 세척제를 사용하여 잔여 플럭스를 제거하였다. 한 번 리플로우를 과정을 거친 시편의 경우 상부 PCB에 붙어있는 솔더볼과 하부 PCB에 다시 한번 RMA 플럭스를 도포한 후에 두 PCB을 array 하여 두 번째 리플로우를 하여 시험용 시편을 완성하였다.
- 솔더 접합부의 저항을 측정 할 수 있는 Kelvin structure을 구성하여 리플로우 횟수 증가에 따른 전기 저항 값의 변화를 측정하였다. Nanometer가 있는 4 point probe station(2182 A, Keithly Co.
- 금속간 화합물의 관찰을 위해서 주석 에칭액을 사용하여 에칭을 하였는데 에칭액의 조성은 95 vol% C2H5OH, 4vol% HNO3, 그리고 1 vol% HCl 이다. 에칭 후 주사전자 현미경 (SEM: scanning electron microscopy)과 EDS(energy-dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 하였다.
- 한 번 리플로우를 과정을 거친 시편의 경우 상부 PCB에 붙어있는 솔더볼과 하부 PCB에 다시 한번 RMA 플럭스를 도포한 후에 두 PCB을 array 하여 두 번째 리플로우를 하여 시험용 시편을 완성하였다. 완성된 BGA 패키지는 1회부터 10회까지 대기에서 멀티(multi) 리플로우를 실행 하였으며 최고 온도인 255℃에서 60초 동안 리플로우 하였다. 실험에 사용한 리플로우 머신은 일본 Japan Pulse Laboratory 사의 RF-430-N2 모델이었다.
- 2 mm/s와 50 µm로 고정하여 실험하였다. 전단 시험 후 파단 면을 SEM으로 관찰하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용 된 솔더볼은 조성이 Sn-3.5(wt%)Ag이고, 지름은 500 µm 이다.
- 상부 joint와 하부 joint는 각각 11×11×1mm3 그리고 30×30×2 mm3인 Cu 패드를 사용하였다.
- 완성된 BGA 패키지는 1회부터 10회까지 대기에서 멀티(multi) 리플로우를 실행 하였으며 최고 온도인 255℃에서 60초 동안 리플로우 하였다. 실험에 사용한 리플로우 머신은 일본 Japan Pulse Laboratory 사의 RF-430-N2 모델이었다.
이론/모형
- 전단 시험 방법은 JEDEC 규격(JESD22-B117)을 따라 die 전단 시험을 수행하였으며, 전단 속도와 높이는 각각 0.2 mm/s와 50 µm로 고정하여 실험하였다.
성능/효과
- 1) PCB 상하 접합부 모두 Ni3Sn4 금속간 화합물과 Ag3Sn금속간 화합물이 생성되었다. 생성된 금속간 화합물은 리플로우 횟수가 증가할수록 두께가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 1회 리플로우 시에는 솔더볼 내부에서 파괴가 일어났지만, 리플로우 횟수가 점점 증가할수록 금속간 화합물이 존재하는 계면에서 취성 파괴가 일어났음을 파면 SEM 사진과 EDX 분석을 통해 알 수 있었다. 1회 리플로우 시에는 관찰할 수 없었던 금속간 화합물이 10회 리플로우 후 전단 시험을 한 파단면에서 EDX 분석 결과 발견되었다. 리플로우 회수가 증가함에 따라 솔더 내로 spalling 되는 금속간 화합물의 양의 증가와 Ni3Sn4 금속간 화합물의 양과 크기의 증가로 인하여 4-5회 리플로우 이후에 전단강도가 감소한다고 판단된다.
- 1회 리플로우 시에는 솔더볼 내부에서 파괴가 일어났지만, 리플로우 횟수가 점점 증가할수록 금속간 화합물이 존재하는 계면에서 취성 파괴가 일어났음을 파면 SEM 사진과 EDX 분석을 통해 알 수 있었다. 1회 리플로우 시에는 관찰할 수 없었던 금속간 화합물이 10회 리플로우 후 전단 시험을 한 파단면에서 EDX 분석 결과 발견되었다.
- 솔더 접합부 높이와 지름의 평균 값을 측정해 본 결과 ±12 µm 정도의 차이는 있지만 리플로우 횟수가 증가할수록 솔더볼 모양이 변형되어 솔더의 높이가 낮아지고 솔더볼의 지름이 넓어졌음을 알 수 있다. 1회 리플로우와 10회 리플로우 시편 모두 솔더 joint 사이에서 Ni3P 와 Ni3Sn4 금속간 화합물이 성장하였음을 EDS 분석을 통해 확인 할 수 있었다. PCB pad와 솔더 사이에 생성된 금속간 화합물의 두께를 평균 내어 Fig.
- 2) 전단 시험 시 리플로우 횟수가 1-2회 일 때는 솔더볼내에서 파괴가 일어났지만, 리플로우 횟수가 증가할수록 금속간 화합물 층에서 파괴가 일어났음을 확인 할 수 있었다.
- 3) 기계적 강도는 리플로우 횟수가 4-5회일 때 가장 높게 나타났으며, 그 이후로 계속 감소하였다. 파단 면의 SEM 관찰 결과 솔더볼 내부에서 일어났던 파괴가 리플로우 횟수가 증가할수록 금속간 화합물 에서 일어나면서, 전단 강도 값이 증가하다가 감소하는 원인이 된다는 것을 알 수 있었다.
- 4) 전기 저항 값은 리플로우 횟수가 증가할수록 증가하였다. 이는 리플로우 횟수가 증가할수록 금속간 화합물의 두께가 증가하는데, 금속간 화합물은 솔더볼 보다 전기 저항 값이 높기 때문에 전체적인 패키지의 전기 저항값의 증가에 영항을 미친다고 판단된다.
- 이러한 결과로 전체적인 계면 결합 면적이 감소되어 지는 것을 확인할 수 있으며, 솔더와 Ni3Sn4 금속간 화합물 사이 계면은 brittle 화 되고, 두께가 두꺼워짐에 따라 솔더의 파괴 모드 또한 경계 면에서 파괴가 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 열처리에 따른 계면의 과도한 금속간 화합물의 생성은 솔더와 기판의 접합부의 신뢰성에 악영향으로 작용하는 것을 확인할 수 있었다.
- Sn금속간 화합물이 생성되었다. 생성된 금속간 화합물은 리플로우 횟수가 증가할수록 두께가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 솔더 접합부 높이와 지름의 평균 값을 측정해 본 결과 ±12 µm 정도의 차이는 있지만 리플로우 횟수가 증가할수록 솔더볼 모양이 변형되어 솔더의 높이가 낮아지고 솔더볼의 지름이 넓어졌음을 알 수 있다.
- 2에서 리플로우 횟수가 증가함에 따라 금속간 화합물 두께가 증가하고 계면 금속간 화합물 형상이 층상(layer shape) 으로 변화되어가는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로 전체적인 계면 결합 면적이 감소되어 지는 것을 확인할 수 있으며, 솔더와 Ni3Sn4 금속간 화합물 사이 계면은 brittle 화 되고, 두께가 두꺼워짐에 따라 솔더의 파괴 모드 또한 경계 면에서 파괴가 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 열처리에 따른 계면의 과도한 금속간 화합물의 생성은 솔더와 기판의 접합부의 신뢰성에 악영향으로 작용하는 것을 확인할 수 있었다.
- 3) 기계적 강도는 리플로우 횟수가 4-5회일 때 가장 높게 나타났으며, 그 이후로 계속 감소하였다. 파단 면의 SEM 관찰 결과 솔더볼 내부에서 일어났던 파괴가 리플로우 횟수가 증가할수록 금속간 화합물 에서 일어나면서, 전단 강도 값이 증가하다가 감소하는 원인이 된다는 것을 알 수 있었다.
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