Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더범프의 금속간화합물 성장거동에 미치는 PCB 표면처리의 영향 Effect of PCB Surface Finishs on Intermetallic Compound Growth Kinetics of Sn-3.0Ag-0.5Cu Solder Bump원문보기
Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더범프의 금속간화합물 성장거동에 미치는 PCB 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 PCB 패드 표면에 각각 OSP, immersionSn, 그리고 ENIG를 처리하였고, 열처리는 $150^{\circ}C$ 조건에서 실험을 실시하였다. 또한, 전류인가시 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더범프의 접합부 계면반응에 미치는 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 $150^{\circ}C$, $4{\times}10^3\;A/cm^2$ 조건에서 electromigration특성을 비교 평가하였다. 열처리시 OSP와 immersion Sn의 금속간화합물 성장거동은 서로 비슷한 경향을 보인 반면, ENIG는 다른 표면처리에 비해 훨씬 느린 성장거동을 보였다. electromigration특성 평가결과 열처리에 비해 금속간화합물의 성장이 가속화되나 표면처리별 경향은 유사하였고, 전자 이동 방향에 따른 음극-양극에서 금속간화합물 형성의 차이를 보이는 극성효과(polarity effect)가 나타나는 것을 알 수 있었다.
Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더범프의 금속간화합물 성장거동에 미치는 PCB 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 PCB 패드 표면에 각각 OSP, immersion Sn, 그리고 ENIG를 처리하였고, 열처리는 $150^{\circ}C$ 조건에서 실험을 실시하였다. 또한, 전류인가시 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더범프의 접합부 계면반응에 미치는 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 $150^{\circ}C$, $4{\times}10^3\;A/cm^2$ 조건에서 electromigration특성을 비교 평가하였다. 열처리시 OSP와 immersion Sn의 금속간화합물 성장거동은 서로 비슷한 경향을 보인 반면, ENIG는 다른 표면처리에 비해 훨씬 느린 성장거동을 보였다. electromigration특성 평가결과 열처리에 비해 금속간화합물의 성장이 가속화되나 표면처리별 경향은 유사하였고, 전자 이동 방향에 따른 음극-양극에서 금속간화합물 형성의 차이를 보이는 극성효과(polarity effect)가 나타나는 것을 알 수 있었다.
Thermal annealing and electromigration test were performed at $150^{\circ}C$ and $4{\times}10^3\;A/cm^2$ conditions in order to investigate the effect of PCB surface finishs on the growth kinetics of intermetallic compound (IMC) in Sn-3.0Ag-0.5Cu solder bump. The surface finish...
Thermal annealing and electromigration test were performed at $150^{\circ}C$ and $4{\times}10^3\;A/cm^2$ conditions in order to investigate the effect of PCB surface finishs on the growth kinetics of intermetallic compound (IMC) in Sn-3.0Ag-0.5Cu solder bump. The surface finishes of the electrodes of printed circuit board (PCB) were organic solderability preservation (OSP), immersion Sn, and electroless Ni/immersion gold (ENIG). During thermal annealing, the OSP and immersion Sn show similar IMC growth velocity, while ENIG surface finish had much slower IMC growth velocity. Applying electric current accelerated IMC growth velocity and showed polarity effect due to directional electron flow.
Thermal annealing and electromigration test were performed at $150^{\circ}C$ and $4{\times}10^3\;A/cm^2$ conditions in order to investigate the effect of PCB surface finishs on the growth kinetics of intermetallic compound (IMC) in Sn-3.0Ag-0.5Cu solder bump. The surface finishes of the electrodes of printed circuit board (PCB) were organic solderability preservation (OSP), immersion Sn, and electroless Ni/immersion gold (ENIG). During thermal annealing, the OSP and immersion Sn show similar IMC growth velocity, while ENIG surface finish had much slower IMC growth velocity. Applying electric current accelerated IMC growth velocity and showed polarity effect due to directional electron flow.
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문제 정의
SAC305 솔더범프의 금속간화합물 성장거동에 미치는 PCB 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 열처리 및 electromigration에 따른 솔더 접합부의 금속간화합물 형성과 성장거동을 연구하였다. 본 연구에 사용된 BGA 범프의 구조를 Fig.
제안 방법
electromigration특성 평가결과 전자 이동 방향에 따른 음극-양극에서 금속간 화합물 형성의 차이를 보이는 극성효과(polarity effect)를 나타내었다. OSP, immersion Sn, ENIG 표면처리 순으로 두꺼운 금속간화합물을 형성하였다.
P-BGA 패드 층의 표면처리는 ENIG로 처리되었으며, Ni(P) 층을 두께 5 µm 로 무전해 도금 형성 후, Au 층을 두께 0.1~0.15 µm로 치환 도금으로 형성하였다.
Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더범프의 금속간화합물 성장거동에 미치는 PCB 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 열처리및 electromigration 평가를 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다. OSP와 immersion Sn의 금속간화합물 성장거동은 서로 비슷한 경향을 보이는데, 솔더 접합부에는 Cu6Sn5이 관찰되었고, 열처리가 진행됨에 따라 Cu3Sn이 Cu6Sn5와 함께 성장하였다.
BGA 솔더범프에서의 electromigration연구는 특히 기판 표면처리에 따른 electromigration특성에 관한 연구가 매우 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 SAC305 솔더 범프의 금속간화합물 성장거동에 미치는 PCB 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 PCB패드 표면에 각각 OSP, immersion Sn, 그리고 ENIG를 처리하였고, 열처리 실험 및 electromigration특성 평가를 실시함으로써 표면처리별 솔더 접합부를 비교분석 하였다.
또한, 전류인가시 솔더범프의 접합부 계면반응에 미치는 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 150℃, 4×103 A/cm2 조건에서 100시간 진행 후, electromigration특성을 비교 분석하였다.
상부 P-BGA와 하부 PCB에 단층 CCL(copper-clad-laminate) 형성 후, 동박(copper foil) 식각 공정 및 솔더 레지스트 공정에서 노광, 현상을 반복하여 약 20 µm 두께의 Cu 배선을 형성하였다.
열처리 따른 표면처리별 솔더 접합부의 금속간화합물의 성장을 관찰하기 위해 3개의 시편을 #2000의 연마지와 1~3 µm의 연마천을 이용하여 단면 폴리싱한 후, 150℃ 조건에서 1400시간까지 실험을 진행하였다. 열처리 따른 금속간화합물 형성과 성장은 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)의 BSE (back scattered electron)사진과 EDS(energy dispersive x ray spectroscopy)를 이용하여 분석 하였고, image analyzer를 이용하여 정량화한 결과를 열처리 시간에 따른 금속간화합물의 두께변화를 통해 표면처리별 금속간화합물의 성장거동을 평가하였다. 또한, 전류인가시 솔더범프의 접합부 계면반응에 미치는 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 150℃, 4×103 A/cm2 조건에서 100시간 진행 후, electromigration특성을 비교 분석하였다.
열처리 따른 표면처리별 솔더 접합부의 금속간화합물의 성장을 관찰하기 위해 3개의 시편을 #2000의 연마지와 1~3 µm의 연마천을 이용하여 단면 폴리싱한 후, 150℃ 조건에서 1400시간까지 실험을 진행하였다.
전류인가시 솔더범프의 접합부 계면반응에 미치는 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 150oC, 4×103 A/cm2 조건에서 100시간 진행 후, Fig. 7-9에 단면 BSE 미세구조를 나타내었다.
솔더볼을 떼어낸(solder ball attach)후 상부 P-BGA 의 패드와 솔더볼에 RMA(rosin mildly activated) 플럭스를 도포하고 리플로우 방식으로 접합 후에 플럭스 세척제를 사용하여 잔여 플럭스를 제거하였다. 한 번 리플로우 과정을 거친 시편의 경우 상부 P-BGA에 붙어있는 솔더볼과 하부 PCB에 다시 한번 RMA 플럭스를 도포한 후에 두 기판을 정렬하여 두 번째 리플로우를 시행하여 시험용 시편을 제작하였다. 열처리 따른 표면처리별 솔더 접합부의 금속간화합물의 성장을 관찰하기 위해 3개의 시편을 #2000의 연마지와 1~3 µm의 연마천을 이용하여 단면 폴리싱한 후, 150℃ 조건에서 1400시간까지 실험을 진행하였다.
대상 데이터
실험에 사용된 Bismaleimide-triazine(BT)-type 레진(resin)으로 제조된 P-BGA (plastic-BT) 상부 기판의 패드 지름은 300 µm이며, 조성은 Sn-3.0(wt%)Ag-0.5(wt%)Cu을 가지고 지름 450 µm인 BGA 솔더볼이 사용되었다.
성능/효과
이것은 Cu패드와 BGA솔더범프 사이에 무전해 Ni(P)층이 Cu의 확산방지막 역할을 했을 뿐만 아니라, Ni자체도 Sn과 반응은 서로 활발하지 않기 때문이다. (Cu, Ni)6Sn5 금속간화합물의 성장거동은 OSP나 immersion Sn과 같이 열처리 시간이 경과함에 따라 시간의 제곱근에 직선 형태로 증가하는 경향을 보였다. 이는 (Cu, Ni)와 Sn사이의 금속간화합물 성장이 확산에 의해 지배되어졌기 때문이라 판단된다.
솔더와 패드간 접합부는 솔더와 반응하여 접합부에 취성특성이 있는 조대한 금속간화합물(intermetallic compound, IMC)을 형성시켜 접합부의 신뢰성을 저하시킬 뿐만 아니라 Cu원자와 Sn원자의 확산속도 차이에 의해 Cu와 Cu3Sn의 계면과 Cu3Sn 내부에 형성되는 Kirkendall void 역시 접합부의 기계적 신뢰성을 저하시킨다고 보고되어진다.11) 이처럼 BGA 솔더 범프 구조에서 또한 금속간화합물 형성 및 성장은 접합부 신뢰성에 많은 영향을 미칠 것으로 판단된다. 따라서 표면처리에 따른 금속간화합물 성장거동에 대한 연구는 매우 중요하다.
기 보고에 의하면 Sn계 무연솔더 합금조성에 Ag가 포함된 경우 Ag3Sn상으로 안정화 되어 존재하는 것으로 알려져있다.13) 어두운 그물영역 외의 밝은 부분은 Sn-rich 영역인 것으로 분석되었다. 솔더볼 내부에 아일랜드형상으로 Cu6Sn5상이 관찰되었는데, 이는 리플로우 공정중에 솔더볼내 존재하는 소량의 Cu 성분이 어느 한 영역에서 밀집됨으로 Sn과 반응하여 금속간화합물을 형성한 것으로 보인다.
초기 리플로우시 생성되었던 금속간화합물은 뾰족한 나뭇잎 또는 가리비(scallop type)형상이었으나 열처리가 진행됨에 따라 패드 표면처리 종류와 관계없이 시편 모두에서 금속간화합물의 평탄화 현상이 진행되었다.17) 이러한 계면에서의 금속간화합물의 평탄형상은 솔더볼과의 기계적 결합력을 약화시킬 우려가 있어 패키지에 가해지는 전단력 또는 충격에 매우 취약할 것으로 판단된다. Fig.
최근까지 대부분의 전자부품은 SOP(small out-line package)나 QFP(quad flat package)와 같이 리드를 가진 실장형태로써 소형화, 고성능화, I/O 수, 실장성에 제한이 있어 왔지만, 표면실장기술(surface mount technology, SMT)형식의 BGA(ball grid array)와 같은 고집적 패키지 기술이 개발되면서 소형 전자기기를 비롯한 기타 전자 부품 실장에 널리 이용되고 있다.5,6) BGA 실장기술은 칩과 패키지간 범프 간격이 짧기 때문에 인덕턴스(inductance) 값이 작고, 노이즈 감소 및 면적 배열로 인해 피치 간격의 완화뿐만 아니라 I/O의 수를 손쉽게 늘리고, 칩의 소형화에 유리한 장점을 가지고 있다.
이는 무한히 공급되는 Sn과 Cu가 만나 리플로우 공정중 고온의 분위기에서 급속한 확산 및 반응에 의해 생성된 것으로 판단된다. Immersion Sn 표면처리된 시편의 솔더 접합부의 계면 미세구조는 OSP처리된 시편의 솔더 접합부 계면과 유사하게 Cu6Sn5만이 관찰되었고, 솔더 내부에 역시 Ag3Sn상이 관찰되었다. 이것은 리플로우 공정에서 접합부 계면의 Sn-Cu가 서로 접하게 됨으로써 미세구조가 비슷해지고, 따라서 Sn-Cu의 반응에 의해 유사한 금속간화합물이 생성된 결과라 사료된다.
열처리 조건에 따른 금속간화합물의 성장거동은 표면처리와는 무관하게 시간의 제곱근에 직선 형태로 증가하였고, 이는 (Cu, Ni)와 Sn사이의 금속간화합물 성장이 확산에 지배되어졌기 때문이라 판단된다. OSP와 immersion Sn의 솔더 접합부에서 Kirkendall void가 관찰되었고, OSP는 immersion Sn에 비해 Cu/Cu3Sn 계면에 다량의 Kirkendall void가 생성되었으므로 기계적 신뢰성 측면에서 취약할 것이라 판단된다. electromigration특성 평가결과 전자 이동 방향에 따른 음극-양극에서 금속간 화합물 형성의 차이를 보이는 극성효과(polarity effect)를 나타내었다.
OSP와 immersion Sn의 솔더 접합부에서 Kirkendall void가 관찰되었고, OSP는 immersion Sn에 비해 Cu/Cu3Sn 계면에 다량의 Kirkendall void가 생성되었으므로 기계적 신뢰성 측면에서 취약할 것이라 판단된다. electromigration특성 평가결과 전자 이동 방향에 따른 음극-양극에서 금속간 화합물 형성의 차이를 보이는 극성효과(polarity effect)를 나타내었다. OSP, immersion Sn, ENIG 표면처리 순으로 두꺼운 금속간화합물을 형성하였다.
9에는 ENIG 처리된 시편의 미세구조가 보여지는데, 위의 immersion Sn이나 OSP와 유사한 미세구조를 형성하고 있다. 각 표면처리별 EM특성 비교를 위해 Fig. 7(e)-9(e)를 비교분석한 결과 상대적으로 OSP가 가장 두터운 금속간화합물을 형성하였고, 그다음 immersion Sn이고 역시 ENIG처리된 시편에서 가장 얇은 금속간화합물을 형성하였다.
Cu6Sn5은 Cu3Sn에 비해 매우 빠른속도로 성장하였다. 전체(Cu6Sn5 + Cu3Sn)금속간화합물의 성장거동 열처리 시간이 경과함에 따라 시간의 제곱근에 직선 형태로 증가하는 경향을 보였다. OSP나 immersion Sn처리간의 금속간화합물의 성장거동에서의 유의차는 거의 존재하지 않는 것으로 판단된다.
후속연구
따라서 OSP가 immersion Sn에 비해 기계적 신뢰성 측면에선 더 취약할 것이라 짐작되며 추후 연구되어질 필요성이 있다. 그에 비해 ENIG 처리된 솔더 접합부 계면 금속간화합물의 성장속도는 비교적 느려 보인다.
같은 electromigration조건 하에서 표면처리의 차이로 금속간화합물의 성장거동에 차이를 보이는 것을 확인하였다. 추후 electromigration조건하에서 표면처리별 금속 간화합물의 성장거동이 패키지의 수명에 어떠한 영향을 미치는지 규명할 필요성이 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
OSP의 특징은 무엇인가?
환경 친화적 표면처리공법으로 유기 땜납성 보존제(organic solderability preservative, OSP), immersion Sn, 무전해 Ni 도금/Au 치환 도금(electroless nickel immersion gold, ENIG)처리 등이 산업체 전반에 널리 쓰이고 있다.8-10) OSP는 alkyl imidazole 형태의 유기 화합물을 구리 위에 선택적으로 도포가 되기 때문에 미세 회로에 적합한 처리 방식이지만, 유기 물질로 도포되어 있기에 취급에 유의할 필요가 있다. Immersion Sn은 친환경적이고 고밀도 회로에 적합한 방식이지만, 취급 부주의로 인한 산화 및 도금막 손상, whisker 불량이 간혹 발생하기도 한다.
ENIG처리는 어떤 공정인가?
Immersion Sn은 친환경적이고 고밀도 회로에 적합한 방식이지만, 취급 부주의로 인한 산화 및 도금막 손상, whisker 불량이 간혹 발생하기도 한다. ENIG처리는 내산화 특성이 우수하고, Cu와 Au와의 확산방지를 위한 barrier metal로 Ni을 사용함으로서 접합표면이 어느정도의 내구성과 전도성을 가지도록 하는 공정이다. 그러나 공정상 고비용이 들고 솔더와의 반응에 취약한 P-rich Ni 층을 형성시키는 단점이 있다.
ENIG처리의 단점은 무엇인가?
ENIG처리는 내산화 특성이 우수하고, Cu와 Au와의 확산방지를 위한 barrier metal로 Ni을 사용함으로서 접합표면이 어느정도의 내구성과 전도성을 가지도록 하는 공정이다. 그러나 공정상 고비용이 들고 솔더와의 반응에 취약한 P-rich Ni 층을 형성시키는 단점이 있다.
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