[논문]OSP.ENIG 표면 처리된 기판과 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 접합부의 낙하충격 신뢰성 평가

하상옥; 하상수; 이종범; 윤정원; 박재현; 추용철; 이준희; 김성진; 정승부

OSP.ENIG 표면 처리된 기판과 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 접합부의 낙하충격 신뢰성 평가
Drop reliability evaluation of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joint with OSP and ENIG surface finishes 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.16 no.1, 2009년, pp.33 - 38

하상옥 (성균관대학교 신소재공학과) , 하상수 (성균관대학교 신소재공학과) , 이종범 (성균관대학교 신소재공학과) , 윤정원 (성균관대학교 신소재공학과) , 박재현 (포항산업과학연구원(RIST)) , 추용철 (덕산 하이메탈) , 이준희 (동아대학교 신소재공학과) , 김성진 (금오공과대학교 신소재시스템공학부) , 정승부 (성균관대학교 신소재공학과)

초록
AI-Helper

전자 기기 제품들이 소형화 및 휴대화 되면서 낙하충격 신뢰성에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 대표적인 무연솔더인 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더를 이용하여 ENIG (Electroless Nickel Iimmersion Gold), OSP (Organic Solderability Preservative) 표면 처리와 등온 시효 시험 (High Temperature Storage test)에 따른 보드 레벨 패키지 (board level package)의 낙하충격 신뢰성 (drop reliability) 시험을 수행하였다. 또한 충격 조건을 변화시켜 시편에 가해지는 가속도 (G:acceleration)와 충격 지속 시간 (pulse duration)에 따른 신뢰성을 평가하였다. 기판의 strain측정 결과 중앙 부위가 가장 응력이 컸으며, 충격가속도에 비례하여 응력이 증가하였다. 시효 처리 전에는 OSP처리된 기판이 다소 우수한 신뢰성을 보였지만, 시효 처리후에는 ENIG기판에서 신뢰성이 우수하였고, 반대로 OSP는 감소하는 경향을 보였다. OSP의 경우 과도한 금속간화합물 (intermetallic compound)의 성장으로 인해 접합 계면에서 취성파괴 (brittle fracture)가 일어난 것을 관찰할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The use of portable devices has created the need for new reliability criterion of drop impact tests because of the tendency to accidentally drop in the use of these devices. The effects of different PCB surface finishes (organic solderability preservative (OSP) and electroless nickel immersion gold (ENIG)) and high temperature storage (HTS) test on the drop reliability were studied. Various drop test conditions were used to evaluate a drop reliability of assemblies to endure such impact and shock load. In the case of the as-reflowed samples (no HTS test), the SAC/OSP boards exhibited a better drop impact reliability than that of SAC/ENIG. However, the reverse was true if HTS test is performed. In addition, significant decrease of drop reliability was observed for both SAC/ENIG and SAC/OSP assemblies after HTS test. It was also observed that the thickness of intermetallic compound layer do play an important role in the brittle fracture of drop test.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

제안 방법

등온시효 시험은 JEDEC (JESD22-A103C) 조건의 하나인 125℃에서 500시간 동안 시효처리를 실시하였다.⁵⁾ 또한, 시효처리가 끝난 각각의 시편은 LAB사의 보드레벨 drop test (SD-10) 장비를 이용하여 Table 1의 JEDEC standard A, F, B, H 조건으로 시험을 실시하였다.
시효 처리 전 (as-reflow) 시편과 500시간 시효 처리한 시편의 drop test를 실시하였으며, fail 기준은 충격시 1500 Ω 이상으로 저항이 증가하면 failure난 것으로 간주하였으며, 5번의 충격 시험 중 적어도 3번 이상 저항이 나타났을 때 fail로 결정하였다. 각 실험당 각각 5개의 시편을 테스트한 후 각 채널 당 drop 횟수를 측정하였다. 또한 충격시 기판에 가해지는 응력을 측정하기 위해서 strain gauge를 보드 중앙에 부착한 뒤 충격 조건 별 strain 값을 측정하였다.
낙하 조건별 시편에 가해지는 응력의 정도를 확인하기 위해 board 중앙에 strain gauge를 부착한 뒤 시험 충격 조건별로 strain을 측정하였다. Fig.
낙하 충격 시험이 완료된 시편들의 미세구조 및 파괴 메커니즘을 관찰하기 위하여 시편을 epoxy로 마운팅 후, SiC paper로 폴리싱 (polishing) 하였다. 솔더 접합부 계면 관찰을 위하여 에칭액 (95 vol% C₂H₅OH : 4 vol% HNO₃: 1 vol% HCl)을 이용하여 에칭 (etching) 후, 주사전자현미경 (SEM, Scanning Electron Microscope)을 이용하여 미세 조직을 관찰하였다.
시효처리에 따른 BGA 패키지의 낙하충격 특성 평가를 위해 등온시효 시험 후 낙하 충격 시험을 실시하였다. 등온시효 시험은 JEDEC (JESD22-A103C) 조건의 하나인 125℃에서 500시간 동안 시효처리를 실시하였다.⁵⁾ 또한, 시효처리가 끝난 각각의 시편은 LAB사의 보드레벨 drop test (SD-10) 장비를 이용하여 Table 1의 JEDEC standard A, F, B, H 조건으로 시험을 실시하였다.
각 실험당 각각 5개의 시편을 테스트한 후 각 채널 당 drop 횟수를 측정하였다. 또한 충격시 기판에 가해지는 응력을 측정하기 위해서 strain gauge를 보드 중앙에 부착한 뒤 충격 조건 별 strain 값을 측정하였다. 낙하시험에 사용된 시험장비 및 시편을 Fig.
솔더 접합부 계면 관찰을 위하여 에칭액 (95 vol% C₂H₅OH : 4 vol% HNO₃: 1 vol% HCl)을 이용하여 에칭 (etching) 후, 주사전자현미경 (SEM, Scanning Electron Microscope)을 이용하여 미세 조직을 관찰하였다. 또한, 계면에 생성된 금속간화합물의 조성분석을 위하여 EDS (Energy Dispersive Spectrometer)를 사용하여 분석하였다.
%) 무연솔더를 ENIG (Electroless Ni Immersion Au)와 OSP (Organic Solderability Preservative) 표면 처리된 기판에 접합하여 보드레벨 패키지를 구성하여 낙하 충격 시험을 실시하였다. 또한, 등온시효처리를 실시함으로써 시효처리와 표면처리에 따른 계면반응을 관찰하고, 낙하 충격 시험으로 솔더 접합부의 기계적 신뢰성을 평가하였다.
본 연구에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성을 가지는 솔더 페이스트 사용하여 직경 300 µm의 솔더볼의 구현하였으며, 표면 처리, 시효시간을 각각 달리하여 낙하 충격 시험을 실시한 후, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 대표적인 Sn-3.0Ag-0.5Cu (in wt.%) 무연솔더를 ENIG (Electroless Ni Immersion Au)와 OSP (Organic Solderability Preservative) 표면 처리된 기판에 접합하여 보드레벨 패키지를 구성하여 낙하 충격 시험을 실시하였다. 또한, 등온시효처리를 실시함으로써 시효처리와 표면처리에 따른 계면반응을 관찰하고, 낙하 충격 시험으로 솔더 접합부의 기계적 신뢰성을 평가하였다.
낙하 충격 시험이 완료된 시편들의 미세구조 및 파괴 메커니즘을 관찰하기 위하여 시편을 epoxy로 마운팅 후, SiC paper로 폴리싱 (polishing) 하였다. 솔더 접합부 계면 관찰을 위하여 에칭액 (95 vol% C₂H₅OH : 4 vol% HNO₃: 1 vol% HCl)을 이용하여 에칭 (etching) 후, 주사전자현미경 (SEM, Scanning Electron Microscope)을 이용하여 미세 조직을 관찰하였다. 또한, 계면에 생성된 금속간화합물의 조성분석을 위하여 EDS (Energy Dispersive Spectrometer)를 사용하여 분석하였다.
시효 처리 전 (as-reflow) 시편과 500시간 시효 처리한 시편의 drop test를 실시하였으며, fail 기준은 충격시 1500 Ω 이상으로 저항이 증가하면 failure난 것으로 간주하였으며, 5번의 충격 시험 중 적어도 3번 이상 저항이 나타났을 때 fail로 결정하였다. 각 실험당 각각 5개의 시편을 테스트한 후 각 채널 당 drop 횟수를 측정하였다.
2. 낙하충격 시험
시효처리에 따른 BGA 패키지의 낙하충격 특성 평가를 위해 등온시효 시험 후 낙하 충격 시험을 실시하였다. 등온시효 시험은 JEDEC (JESD22-A103C) 조건의 하나인 125℃에서 500시간 동안 시효처리를 실시하였다.
실험에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 페이스트 이용하여 스텐실 프린팅법으로 테스트 보드에 페이스트를 도포하였으며, IR reflow machine (RF-430-M2, Japan Pulse Lab.)을 사용하여 리플로우 최고온도 (pick reflow temperature)인 260℃에서 60초 동안 리플로우를 실시하여 직경 300 µm의 솔더볼을 형성하였다.

대상 데이터

기존의 JEDEC보드가 아닌 1/3사이즈로 제작된 테스트 보드의 크기는 가로, 세로 각각 110 mm×50 mm로 제작하였으며, 상부 기판의 크기는 10 mm×10 mm로 하였고, 채널 하나당 100개의 I/O (Input/Output)를 형성하였으며, 5개의 채널로 모든 시편을 daisy chain으로 구성하였다.
본 실험에 사용된 기판은 OSP 처리된 기판과 Cu pad 위에 ENIG 표면처리가 되어있는 SMD (Solder Mask Defined) 타입의 FR-4 기판을 사용하였다. FR-4 기판의 pad opening size는 200 µm이고, pitch size는 800 µm이다.

성능/효과

(1) ENIG 기판에서는 계면에 (Ni,Cu)₃Sn₄금속간화합물이 형성 되었음을 확인할 수 있었으며, OSP 기판의 경우에는 초기에는 Cu₆Sn₅가 형성 되지만 시효 처리 후에는 Cu₃Sn 금속간화합물이 추가로 형성되는 것을 확인하였다.
(2) 초기 접합 후에는 OSP 표면 처리된 기판이 ENIG 처리된 기판 보다 우수한 drop 특성을 나타낸 반면, 시효 처리 후에는 ENIG 시편이 더 우수한 신뢰성을 가짐을 확인 할 수 있었다.
(3) 기판의 가장 중앙이 다른 위치보다 충격 시 더 많은 응력을 받으며, 고정 나사 부위의 시편보다 20~50%의 낮은 신뢰성을 보였다.
(4) ENIG/OSP 기판 모두 낙하충격 시험 후 계면의 금속간화합물 층에서 fail이 발생하였으며, 이로 미루어보아 솔더접합부의 계면이 drop 특성에 가장 취약하다는 것을 알 수 있었다. 본 실험을 통해, 충격시험 신뢰성 향상을 위해서는 솔더접합부 계면에 생성된 금속간화합물 및 계면 제어가 필요할 것으로 사료된다.
리플로우 후에는 계면에 침상(needle type)의 금속간화합물이 관찰되었으나, 125℃에서 500시간 시효 처리후에는 주로 chunky type의 금속간화합물이 생성됨을 확인할 수 있었다. EDS분석 결과 계면에서 생성된 금속간화합물의 조성은 모두 (Ni, Cu)₃Sn₄로 확인되었다.
7(b)는 500시간 시효처리 후 낙하 시험한 시편으로 계면을 관찰한 결과, (Ni,Cu)₃Sn₄ 금속간화합물 사이에서 파괴가 일어난 것을 확인할 수 있었다. ENIG 기판에서 시효시간이 증가 함에 따라 솔더와 UBM의 반응으로 두꺼워진 (Ni,Cu)₃Sn₄ 층에서 파괴가 주로 발생되는 것을 확인하였다.
7 ms의 조건으로 drop 시험을 한 결과이다. ENIG 기판에서 초기 리플로우한 시편의 경우 무전해 Ni 층위의 (Ni,Cu)₃Sn₄와 Ni층 사이에 생성된 Ni-Sn-P층을 따라 파괴가 일어나는 것을 관찰할 수 있었다.
8은 ENIG와 OSP 표면처리한 기판을 시효처리 전과 시효처리 하였을 때의 낙하충격 시험 후 파단면을 관찰한 top view 사진이다. ENIG 기판의 경우 초기 리플로우 했을 때 파단면의 EDS 표면 분석결과 Ni-Sn-P가 검출되었으며, 시효처리 후에는 금속간화합물과 P-rich층 사이에서 취성파괴가 일어난 것을 확인하였다. 이는 단면 분석 결과와 잘 일치하였다.
OSP 기판의 경우에는 리플로우 후 솔더와 Cu pad 계면에 Cu₆Sn₅ 금속간화합물이 형성되는 것을 확인할 수 있었으며, 500 시간 시효 처리후에는 Cu₃Sn 금속간화합물이 Cu₆Sn₅와 Cu 사이의 계면에 추가적으로 형성되었고, 또한 내부에 다수의 미세한 void가 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와 기판과의 리플로우 후 계면을 SEM으로 관찰한 결과, Fig. 4와 같이 양호한 접합부를 확인할 수 있었고, 저항 측정결과 모든 시편이 전기적으로 잘 연결된 것을 확인 할 수 있었다.
9는 낙하충격 시험동안 크랙의 전파 경로를 보여 주는 것으로 크랙은 바깥쪽에서 중심으로 전파되는 것을 확인하였다. 간혹 솔더 내부 또는 구리 배선층에서 크랙이 발생하는 경우도 있었지만, 본 실험에서는 대부분 계면만을 통해 파괴가 일어나는 전형적인 취성 파괴만 관찰 되었다. 본 실험을 통하여 솔더접합부 계면에 생성된 금속간화합물 및 계면 제어가 충격 시험 신뢰성 향상에큰 영향을 주는 것으로 사료된다.
초기 리플로우 후에는 모든 충격 조건에서 OSP 표면처리된 기판의 경우가 ENIG 표면 처리된 기판의 경우보다 우수한 내충격 특성을 보였다. 그러나 500시간 동안 시효처리한 후에는 ENIG 기판이 OSP 기판에 비해 우수한 내충격 특성을 나타내었다. 그 이유는 접합계면에 임계두께 이상의 금속간화합물은 접합부의 기계적 특성을 떨어뜨리고 크랙 전파의 경로로써 취성 (brittle) 파괴의주 원인으로 작용하였다는 것을 의미한다.
낙하충격 시험 후 접합부의 계면을 관찰한 결과 OSP와 ENIG 표면처리된 기판 모두 솔더와 패드의 계면에서 파괴가 일어 난 것을 확인할 수 있었으며, Fig. 7은 900G0.7 ms의 조건으로 drop 시험을 한 결과이다. ENIG 기판에서 초기 리플로우한 시편의 경우 무전해 Ni 층위의 (Ni,Cu)₃Sn₄와 Ni층 사이에 생성된 Ni-Sn-P층을 따라 파괴가 일어나는 것을 관찰할 수 있었다.
두 조건 모두 시효처리 후 계면의 금속간화합물의 두께가 초기 리플로우 된 경우보다 증가한 것을 확인할 수 있었다.
이는 단면 분석 결과와 잘 일치하였다. 또한 OSP기판의 경우 초기 리플로우 했을 때와 고온 시효처리 시편 모두 금속간화합물을 통한 취성 파괴가 발생하였음을 파괴면 관찰결과 확인할 수 있었다.
이는 기판의 위치별 낙하 충격시 받은 응력의 정도가 다른 것을 의미하며, 이결과는 고정나사 위치에서 먼 시편일수록 더 많은 응력을 받는 것으로 사료된다. 또한, 충격가속도 조건에 따라 신뢰성 결과도 차이를 보였으며, 이는 Fig. 3의 strain 측정결과와 동일한 경향으로 나타났다.
리플로우 후에는 계면에 침상(needle type)의 금속간화합물이 관찰되었으나, 125℃에서 500시간 시효 처리후에는 주로 chunky type의 금속간화합물이 생성됨을 확인할 수 있었다. EDS분석 결과 계면에서 생성된 금속간화합물의 조성은 모두 (Ni, Cu)₃Sn₄로 확인되었다.
간혹 솔더 내부 또는 구리 배선층에서 크랙이 발생하는 경우도 있었지만, 본 실험에서는 대부분 계면만을 통해 파괴가 일어나는 전형적인 취성 파괴만 관찰 되었다. 본 실험을 통하여 솔더접합부 계면에 생성된 금속간화합물 및 계면 제어가 충격 시험 신뢰성 향상에큰 영향을 주는 것으로 사료된다.^13-15)
6은 충격가속도와 시효처리 시간에 따른 drop test 결과를 나타난 것이다. 실험 결과 모든 조건에서 각 채널의 신뢰성 정도가 다르게 나타나는 것을 확인하였고, 중앙의 위치한 기판이 가장자리 고정나사 부근의 기판보다 약 20%~50% 낮은 신뢰성을 보였다. 이는 기판의 위치별 낙하 충격시 받은 응력의 정도가 다른 것을 의미하며, 이결과는 고정나사 위치에서 먼 시편일수록 더 많은 응력을 받는 것으로 사료된다.

후속연구

(4) ENIG/OSP 기판 모두 낙하충격 시험 후 계면의 금속간화합물 층에서 fail이 발생하였으며, 이로 미루어보아 솔더접합부의 계면이 drop 특성에 가장 취약하다는 것을 알 수 있었다. 본 실험을 통해, 충격시험 신뢰성 향상을 위해서는 솔더접합부 계면에 생성된 금속간화합물 및 계면 제어가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성을 가지는 솔더 페이스트 사용하여 직경 300 µm의 솔더볼의 구현하였으며, 표면 처리, 시효시간을 각각 달리하여 낙하 충격 시험을 실시한 후, 어떤 결과를 얻을 수 있었는가?	(1) ENIG 기판에서는 계면에 (Ni,Cu)3Sn4 금속간화합물이 형성 되었음을 확인할 수 있었으며, OSP 기판의 경우에는 초기에는 Cu6Sn5가 형성 되지만 시효 처리 후에는 Cu3Sn 금속간화합물이 추가로 형성되는 것을 확인하였다. (2) 초기 접합 후에는 OSP 표면 처리된 기판이 ENIG 처리된 기판 보다 우수한 drop 특성을 나타낸 반면, 시효 처리 후에는 ENIG 시편이 더 우수한 신뢰성을 가짐을 확인 할 수 있었다. (3) 기판의 가장 중앙이 다른 위치보다 충격 시 더 많은 응력을 받으며, 고정 나사 부위의 시편보다 20~50%의 낮은 신뢰성을 보였다. (4) ENIG/OSP 기판 모두 낙하충격 시험 후 계면의 금속간화합물 층에서 fail이 발생하였으며, 이로 미루어보아 솔더접합부의 계면이 drop 특성에 가장 취약하다는 것을 알 수 있었다. 본 실험을 통해, 충격시험 신뢰성 향상을 위해서는 솔더접합부 계면에 생성된 금속간화합물 및 계면 제어가 필요할 것으로 사료된다.
	전자패키지에서 솔더볼의 역할은?	전자패키지에서 솔더볼은 IC 패키지와 인쇄회로기판 (PCB) 사이의 전기적 및 기계적 접속(interconnection)의 역할을 수행할 뿐만 아니라, 신호를 전달하고 열 방출하는 중요한 역할을 담당한다. 그러나 솔더링 공정 중 솔더는 고온의 분위기에서 PCB 혹은 기판의 최종 금속 층과 서로 접촉하게 되고 상호 반응에 의해서 금속간화합물 (Intermetallic compound)을 형성하게 되는데, 임계두께 이상으로 생성된 금속간화합물은 접합부의 신뢰성에 나쁜 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다.
	고성능 마이크로프로세서의 장점은?	최근 전자전기업체는 고성능, 다기능화 및 소형경량화 라는 시대적 요구에 대응할 수 있는 고성능 마이크로프로세서와 대용량 저장 매체를 보다 작은 공간에 집적시키려는 노력을 기울이고 있다. 이를 가능하게 하기 위해서는 새로운 시스템 설계 기술과 더불어 설계된 마이크로 칩의 성능을 극대화할 수 있는 전자 패키징 기술 개발이 필수적으로 요구된다.

참고문헌 (15)

J. W. Yoon and S. B. Jung, "Effect of Surface Finish on Interfacial

상세보기
JEDEC Standard JESD22-B111, "Board Level Drop Test
JEDEC Standard JESD22-B104-C, "Mechanical Shock",
JEDEC Standard JESD22-B110A, "Subassembly Mechanical
JEDEC Standard JESD22-A103C, "High Temperature Storage
J. E. Luan and T. Y. Tee, "Effect of Impact Pulse Parameters
M. N. Islam, A. Sharif and Y. C. Chan, "Effect of Volume in

상세보기
T. Y. Tee, J. E. Luan and H. S. Ng, "Development and Application
S. B. Park, C. Shah and J. Kwak, "Effect of Boundary Conditions
J. E. Luan and T. Y. Tee, "Analytical and Numerical Analysis
J. W. Yoon, J. H. Park, C. C. Shur and S. B. Jung, "Characteristic

상세보기
J. W. Yoon, W. C. Moon and S. B. Jung, "Interfacial Reaction

상세보기
E.F. Monlevade and W. Peng, "Failure Mechanisms and
T. C. Chiu, K. Zeng and R. Stierman, "Effect of Thermal
Ji-Yeon Lim, Dong-Young Jang, Hyo-Sok Ahn, "Experimental

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증