[논문]솔더 접합부에 생성된 Void의 JEDEC 규격과 기계적 특성에 미치는 영향

이종근; 김광석; 윤정원; 정승부

doi:10.6117/kmeps.2011.18.4.001

솔더 접합부에 생성된 Void의 JEDEC 규격과 기계적 특성에 미치는 영향
Analysis of Void Effects on Mechanical Property of BGA Solder Joint 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.18 no.4, 2011년, pp.1 - 9

이종근 (성균관대학교 신소재공학과) , 김광석 (성균관대학교 나노과학기술협동학부) , 윤정원 (삼성전자 종합기술원) , 정승부 (성균관대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Understanding the void characterization in the solder joints has become more important because of the application of lead free solder materials and its reliability in electronic packaging technology. According to the JEDEC 217 standard, it describes void types formed in the solder joints, and divides into some categories depending on the void position and formation cause. Based on the previous papers and the standards related to the void, reliability of the BGA solder joints is determined by the size of void, as well as the location of void inside the BGA solder ball. Prior to reflow soldering process, OSP(organic surface preservative) finished Cu electrode was exposed under $85^{\circ}C$/60%RH(relative humidity) for 168 h. Voids induced by the exposure of $85^{\circ}C$/60%RH became larger and bigger with increasing aging times. The void position has more influence on mechanical strength property than the amount of void growth does.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현재 널리 사용되고 있는 무연솔더 BGA접합부에 발생된 void와 기계적인 접합강도와의 상관관계에 대하여 많은 의문을 가지고 있다. 따라서, 2010년에 10월의 JEDEC 규격에 정의된 void의 발생원인을 소개하고 선진연구자들이 보고한 대표적인 솔더접합강도와 void의 상관관계를 검토하였다.

가설 설정

12과 같이 void의 위치및그 크기가 피로 파괴거동에 미치는 영향을 검토하고 해석였다. 이때 void는 솔더 내에서 서로 다른 위치에 발생하고, crack은 칩(chip)쪽에서 발생한다는 가정하였다. Void의 크기가 작고 기판 쪽에 가까이 있을수록 피로 파괴에 대한 저항이 증가하고, 칩쪽에서 주로 crack이 시작되고 전파되기 때문에 칩 쪽에 void가 있을 경우 작은 응력에서도 crack이 쉽게 발생되어 피로파괴에 대한 저항이 낮아진다고 보고하고 있다.

제안 방법

Fig. 17에서 순수한 Sn 과 SnBi 솔더 간의 OSP 처리된 Cu 전극과의 접합을 TEM으로 관찰하였다. SnBi 솔더와 OSP 처리된 Cu전극과의 접합계면에서는 Cu₆Sn₅ 아래 Cu₃Sn IMC 층이 형성되어있고 주로 Cu₃Sn 와 Cu와의 접합계면에서 void가 발견되고 있다.
^7-12) 그러나 아직도 void가 발생되는 원인 피로수명과의 상관관계에 대한 DB 및 그 신뢰성 평가에 대한 연구는 여전히 불충분하다. 따라서 본고에서는 2010년 10월의 JEDEC규격을 소개하고^8-12) 또한 실험적인 방법과 유한요소해석을 바탕으로 솔더 접합부에 발생한 void의 위치 및 솔더 접합부의 피로수명에 미치는 영향에 관한 선진 연구자들의 연구결과를 종합적으로 검토하였다.
앞서 살펴본 기계적 특성 변화를 분석하기 위하여 솔더접합부의 파단면을 FE-SEM으로 관찰하였다. Fig.
13과 같이 Weibull 그래프를 통하여 분석하였다. 이때 void는 없는 경우, 작은 void, 큰 void가 있는3가지 종류의 구분하여 해석하였다. 큰 void기준은 솔더 내부의 void 분율이 50%이상을 의미하며 그 이하는 작은 void로 정하였다 Weibull그래프를 통하여 void가 없을 때와 작은 void의 경우 큰 차이를 보이지 않았으나 큰 void를 가진 솔더의 경우 열충격 시험에서 앞선 두 조건에 비하여 낮은 파괴 저항 값을 보이는 것을 확인 할 수 있다.

성능/효과

3) OSP 표면 처리된 Cu 전극을 항온ㆍ항습처리 후 열처리를 진행하면 솔더접합계면에는 void가 발생하고 성장하지만 기계적 특성에는 나쁜 영향을 미치지 않는다.
4) 그러나 임계사이즈 이상으로 성장한 void를 포함한솔더와 그 void가 접합계면과 수평방향으로 평행하게 존재하는 경우에는 기계적 피로특성에 나쁜 영향을 미친다.
11에 나타내었다. 가장 좋은 결과는 void가 없는 상태이며 void의 숫자가 많고 솔더부의 파괴가 발생하는 crack의 생성 위치와 void가 근접할수록 전단 강도 값이 급격하게 하락하는 모습을 볼 수 있다.¹³⁾
항온·항습처리와 상관없이 시효처리 시간이 증가할수록 전단응력 값은 감소하는 경향을 보였다.
15와 같이 전체적으로 항온·항습처리 전.후의 접합강도변화를 볼 때 void가 BGA 솔더 접합부의 전단 응력감소에는 나쁜 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다.^23-25)

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	planar microvoid란?	Fig.410)와 같이 솔더링 과정에서 솔더 합금과 금속간 화합물 사이의 접합계면에서 크기가 작은 일렬의 작은 void가 형성되는데 이를 planar microvoid라 한다. 특히,이런 종류의 void는 Cu전극에 immersion silver로 표면처리를 할 경우 copper의 거친 표면으로 인하여 불 균일한 도금이 형성된다.
	Micro-via void는 언제 자주 발생하는가?	Micro-via void는 Fig.610)에서 알수 있듯이 솔더볼이 Cu 전극위에 위치하고 있을 때 자주 발생한다. 이는 솔더의 양이 충분하지 않거나 전극과 솔더 간의 낮은 젖음성특성으로 인하여 micro-via 내부를 솔더가 채우지 못하여 void가 형성될 수 있다.
	Micro-via void가 발생하는 원인은?	610)에서 알수 있듯이 솔더볼이 Cu 전극위에 위치하고 있을 때 자주 발생한다. 이는 솔더의 양이 충분하지 않거나 전극과 솔더 간의 낮은 젖음성특성으로 인하여 micro-via 내부를 솔더가 채우지 못하여 void가 형성될 수 있다. Micro-via void는 솔더접합부의 신뢰성감소에 매우 큰 영향을 미치므로 솔더합금에 최적의 표면처리, 플럭스 및 충분한 솔더온도제어 등으로 대부분 제어가 가능하다.

참고문헌 (31)

J. W. Yoon, W. C. Moon and S. B. Jung, "Interfacial Reaction of ENIG/Sn-Ag-Cu/ENIG Sandwich Solder Joint during Isothermal Aging", Microelectron. Eng., 83, 2329 (2006).

상세보기
J. H. Ahn, K. S. Kim, Y. C. Lee, Y. Kim and S. B. Jung, "Regulation in Shear Test Method for BGA of Flip-chip Packages", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(3), 1 (2010).
J. M. Koo, C. Y. Lee and S. B. Jung, "Effect of Reflow Number on Mechanical and Electrical Properties of Ball Grid Array (BGA) Solder Joints", J. Microelectron. Packag. Soc., 14(4), 71 (2007).
M. Abtew and G. Selvaduray, "Lead free Solders in Microelectronics", Mat. Sci. .Eng. R, 27, 95 (2000).

상세보기
J. Glazer, "Microstructure and Mechanical Properties of Pbfree Solder Alloys of Low-cost Electronic Assembly: a Review", J. Electron. Mater., 23, 693 (1994).
L. J. Ladani , "Damage Initiation and Propagation in Voided Joints Modeling and Experiment", J. Electron. Packag., 130(1), 011008 (2008).

상세보기
P. Liu, P. Yao and J. Liu, "Evolutions of the Interface and Shear Strength between SnAgCu-xNi Solder and Cu Substrate during Isothermal Aging at $150{^{\circ}C}$ ", J. Alloys Compd., 486, 474 (2009).
JESD 217, Test Methods to Characterize Voiding in Pre-SMT Ball Grid Array Packages
J. Gong and I. C. Ume, "Void Inspection in Lead-free Solder Bumps on Ball Grid Array (BGA) Packages Using Laser Ultrasound Technique", Proc. ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress & Exposition, Denver, ASME (2011).
R. Aspandiar, "Voids in Solder Joints", J. SMT, 19, 28 (2006).
Z. Mei, M. Ahmad, M. Hu and G. Ramakrishna, "Kirkendall Voids at Cu/solder Interface and Their Effects on Solder Joint Reliability", Proc. 55th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Orlando, 415, IEEE Components Packaging and Manufacturing Technology Society (CPMT) (2005).
IPC-7095B, Design and Assembly Process Implementation for BGAs
J. W. Kim and S. B. Jung, "Effects of Void Formation within the Pb-free BGA Solder Balls on the Mechanical Joint Strength", Mater. Sci. Forum, 510-511, 546 (2006).

상세보기
T. H. You, Y. S. Kim, W. W. Jung, J. T. Moon and H. M. Choe, "Effect of Surface Finish on the Fracture Behavior of Sn-Ag-Cu Solder Joints during High-strain Rate Loading", J. Alloys Compd., 486, 242 (2009).
Z. Tang and F.G. Shi, "Effects of Preexisting Voids on Electromigration Failure of Flip Chip Solder Bumps", Microelectron. J., 32, 605 (2001).

상세보기
Q. Yu, T. Shibutani, Y. Kobayashi and M, Shiratori, "The Effect of Voids on Thermal Reliability of BGA Lead Free Solder Joint and Reliability Detecting Standard", Proc. Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronics Systems (ITHERM), San Diego, 1024, IEEE Components Packaging and Manufacturing Technology Society (CPMT) (2006).
Q. Yu, T. Shibutani, D. S. Kim, Y. Kobayashi, J. Yang and M. Shiratori, "Effect of Precess-induced Voids on Isothermal Fatigue Resistance of CSP Lead-free Solder Joints", Microelectron Reliab., 48, 431 (2008).
M. Yunus, K. Srihari, J. M. Pitarresi and A. Primavera, "Effect of Voids on the Reliability of BGA/CSP Solder Joints", Microelectron. Reliab., 43, 2077 (2003).

상세보기
M. H. R. Jen, L. C. Liu and Y. S. Lai, "Electromigration on Void Formation of Sn3Ag1.5Cu FCBGA Solder Joints", Microelectron. Reliab., 49, 734 (2009).

상세보기
W. Peng, E. Monlevade and M. E. Marques, "Effect of Thermal Aging on the Interfacial Structure of SnAgCu Solder Joints on Cu", Microelectron. Reliab., 47, 2161 (2007).

상세보기
J. Yu and J. Y. Kim, "Effects of Residual S on Kirkendall Void Formation at Cu/Sn-3.5Ag Solder Joints", Acta Mater., 56, 5514 (2008).

상세보기
J. Y. Kim, J. Yu and S. H. Kim, "Effects of Sulfide-forming Element Additions on the Kirkendall Void Formation and Drop Impact Reliability of Cu/Sn-3.5Ag Solder Joints", Acta Mater., 57, 2001 (2009).
J. W. Yoon, B. I. Noh, Y. H. Lee, H. S. Lee and S. B. Jung, "Effects of Isothermal Aging and Temperature-humidity Treatment of Substrate on Joint Reliability of Sn-3.0Ag- 0.5Cu/OSP-finished Cu CSP Solder Joint", Microelectron. Reliab., 48, 1864 (2008).

상세보기
Y. H. Lin, Y. C. Hu, C. M. Tsai, C. R. Kao and K. N. Tu, "In Situ Observation of the Void Formation-and-propagation Mechanism in Solder Joints under Current-stressing", Acta Mater., 53, 2029 (2005).
Y. W. Wang, Y. W. Lin and C. R. Kao, "Inhibiting the Formation of Microvoids in $Cu_{3}Sn$ by Additions of Cu to Solders", J. Alloys Compd., 493, 233 (2010).
P. J. Shang, A. Q. Liu, D. X. Li and J. K. Shang, "Bi-induced Voids at the $Cu_{3}Sn$ /Cu Interface in Eutectic SnBi/Cu Solder Joints", Scripta Mater., 58, 409 (2008).
C. T. Lin, C. S. His, M. C. Wang, T. C. Chang and M. K. Liang, "Interfacial Microstructures and Solder Joint Strengths of the Sn-8Zn-3Bi and Sn-9Zn-1Al Pb-free Solder Pastes on OSP Finished Printed Circuit Boards", J. Alloys Compd., 459, 225 (2008).
J. J. Sundelin, S. T. Nurmi, T. K. Lepisto and E. O. Ristolainen, "Mechanical and Microstructural Properties of SnAgCu Solder Joints", Mater. Sci. Eng. A, 420, 55 (2006).
L. Ciampolini, M. Ciappa, P. Malberti, P. Regli and W. Fichtner, "Modelling Thermal Effects of Large Contiguous Voids in Solder Joints", Microelectron. J., 30, 1115 (1999).
B. Zhang, H. Ding and X. Sheng, "Reliability Study of Boardlevel Lead-free Interconnections under Sequential Thermal Cycling and Drop Impact", Microelectron. Reliab., 49, 530 (2009).

상세보기
Y. Yang, L. Lu, C. Yu and Y. Li, "Void Formation at the Interface in Sn/Cu Solder Joints", Microelectron. Reliab., 51. 2314 (2011).

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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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