[논문]도전성접착제/Sn도금의 계면특성에 미치는 Cl의 영향

김근수; 이기주; 허석환

doi:10.6117/kmeps.2011.18.3.033

초록
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본 연구에서는 Ag-에폭시계 도전성접착제와 Sn도금 부품의 접합체를 이용하여 고온 고습 분위기($85^{\circ}C$/85%RH) 중에서의 미세조직과 전기저항의 변화를 중심으로 계면열화에 미치는 Cl의 영향을 검토하였다. $85^{\circ}C$/85%RH 분위기에서 전형적인 Cl량이 함유된 Ag-에폭시계 도전성접착제를 사용한 접합체의 전기저항은 Cl 함유량이 적은 접합제를 사용한 접합체에 비해 시간의 경과에 따라 급격히 증가하는 경향을 나타내었다. 그 원인을 밝히기 위해 미세조직을 분석한 결과, 고Cl 접합체의 경우, Sn 산화물과 Sn-Cl-O가 Sn도금/Ag-에폭시계 도전성접착제의 계면에 불균일하게 생성되어 있는 반면, 저Cl 접합체에서는 Sn-Cl-O생성이 관찰되지 않았고, Sn산화물도 비교적 적은 것을 알았다. 이러한 결과들을 통해 Ag-에폭시계 도전성접착제에 함유된 Cl이 Ag-에폭시계 도전성접착제와 Sn도금 부품 접합체의 전기적 열화를 가속시키는 원인 중의 하나임을 알았다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the degradation mechanism of mounted chip resistors with Ag-epoxy isotropic conductive adhesives (ICAs) under the humidity exposure ($85^{\circ}C$/85%RH) was examined by electrical resistance change and microstructural study. The effect of the chloride content in Ag-epoxy I...

In this study, the degradation mechanism of mounted chip resistors with Ag-epoxy isotropic conductive adhesives (ICAs) under the humidity exposure ($85^{\circ}C$/85%RH) was examined by electrical resistance change and microstructural study. The effect of the chloride content in Ag-epoxy ICA on joint stability was also examined. The increasing range of the electrical resistance in the typical ICA joint was greater than that in the low Cl content ICA joint. In the case of the typical ICA joint, Sn oxides such as SnO, $SnO_2$, and Sn-Cl-O were formed inhomogeneously on the surface of the Sn plating during the $85^{\circ}C$/85%RH test. In contrast, no Sn-Cl-O was found in the low Cl content ICA joint during the $85^{\circ}C$/85%RH. It is suggested that Cl in Ag-epoxy ICA accelerate the electrical degradation of Sn plated chip components joined with Ag-epoxy ICA.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Ag-에폭시계 도전성접착제와 Sn도금 부품 접합체의 고온·고습 분위기 중에서의 미세조직과 전기저항의 변화를 조사하였다.
본 연구에서는 이러한 열화현상에 관여하는 Cl의 영향을 검토하기 위해 전형적인 Ag-에폭시계 도전성 접착제와 에폭시, 희석제의 Cl 함유량을 줄인 Ag-에폭시계 도전성접착제를 이용하여 고온 · 고습 분위기에서의 계면변화를 조사하였다.

제안 방법

3의 EPMA분석결과로부터 도전성접착체에 함유된 Cl이 Sn도금의 열화에 관여하였음을 알 수 있었다. 3.1에 사용한 Type A 도전성접착제보다 비교적 Cl의 함유량이 적은 Type B 도전성 접착제와 Sn도금 점퍼칩을 이용하여 계면의 변화를 비교 검토하였다. Fig.
Cl함유량의 영향은 일반적인 Cl함유량을 가진 Type A와 상대적으로 낮은 Cl함유량을 가진 Type B(Table 1), 두 종류의 Ag-에폭시 도전성접착제를 이용하여 상기와 같은 방법으로 접합한 후, 85℃/85%RH 분위기에서 장시간 유지하면서 미세조직과 전기저항의 변화를 조사하였다.
접합부의 미세조직은 알곤(Ar)이온 단면가공장치와 집속이온빔 가공관찰장치(FIB, Hitachi, FB-2100)로 단면가공 후, 주사전자현미경(SEM, JEOL, JEM-5510)으로 관찰하였다. 원소분석은 전자현미분석(EPMA, JEOL, JXR8800R)으로 실시하였다.
접합부의 미세조직은 알곤(Ar)이온 단면가공장치와 집속이온빔 가공관찰장치(FIB, Hitachi, FB-2100)로 단면가공 후, 주사전자현미경(SEM, JEOL, JEM-5510)으로 관찰하였다. 원소분석은 전자현미분석(EPMA, JEOL, JXR8800R)으로 실시하였다.
접합체의 열화과정은 고온·고습 분위기(85℃,상대습도 85%, 이후 85℃/85%RH로 표기)에서 장시간 유지하면서 전기저항의 변화와 미세조직의 변화를 조사하였다.

대상 데이터

시편은 FR-4 기판의 동(Cu)패드에 전형적인 Ag-에폭시 도전성접착제(Type A)를 스크린 인쇄한 후, 외부전극으로 Sn(두께 10 µm)/Ni(두께 3.5 µm) 또는 Au(두께 300 nm)/Ni(두께 3.5 µm)를 도금한 2012점퍼칩(2 mm×1.25 mm, 두께 0.55 mm)을 탑재하여 150℃에서 30분간 유지하여 접합하였다.

이론/모형

1에 실험에 사용한 시편과 85℃/85%RH 분위기 로내에서의 전기저항 측정 시스템을 나타내었다. 전기저항 측정은 FR-4 기판 상에 측정용 전극을 만들어 미소저항치를 4선식 저항측정법으로 실시하였다(Keithley Instruments Inc., Acquisition 2750).⁶⁾

성능/효과

5,6) Ag-에폭시계 도전성접착제와 Sn도금 부품의 접합체를 이용하여 고온·고습 분위기에서의 계면의 변화를 살펴본 결과, Sn산화물과 염소(Cl)의 존재가 전기저항의 저하에 크게 영향을 미침을 알게 되었다.
7 하)의 계면에서는 뚜렷한 산화물 및 염화물의 생성이 관찰되지 않았다. 따라서, 도전성접착제의 Cl 함유량이 Sn도금부의 산화물 생성에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며, 전기저항의 변화에 미치는 영향도 알 수 있었다.
먼저, 고온·고습 분위기에서의 Ag-에폭시계 도전성접착제와 Sn도금 부품 접합체의 계면변화를 살펴보기 위해, Type A 접착제와 Sn과 Au가 각각 도금된 칩을 접합한 기판을 85℃/85%RH 분위기에서 1000시간까지 유지하면서 전기저항의 변화를 조사한 결과, Au도금 접합체는 1000시간 유지 후에도 초기와 비교하여 전기저항의 변화가 크지 않았으나, Sn도금 시편은 유지시간의 경과에 따른 전기 저항 변화가 크게 나타났다.
1000시간 후에는 Sn도금부에 일부의 생성물이 크게 성장하여 Sn도금 하부에 있는 Ni층에까지 도달하였음을 알 수 있다. 원소분석 결과, 생성물은 주로 Sn, 산소(O)로 형성되었음을 확인하였다. 저자들이 이미 보고한 바와 같이 이 생성물은 SnO 또는 SnO와 SnO₂가 불균일하게 혼재된 상이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ag계 도전성접착제의 장점은 무엇인가?	대표적인 등방성 도전성접착제(ICA: Isotropic Conductive Adhesive)는 에폭시를 유기매체로 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금(Au) 등의 금속을 필러로 사용하여 실용화 되어 있다. 특히 Ag계 도전성접착제는 200oC이하에서의 접합이 가능하고, 낮은 전기저항 및 우수한 내열특성 등이 보고되고 있어, 적용의 확대가 기대되고 있다. 한편, Ag-에폭시계 도전성접착제는 비 도전성 접착제 또는 언더필에 사용되는 에폭시 수지1,2)에서는 나타나지 않는 특유의 문제점들을 가지고 있다.
	Ag-에폭시계 도전성접착제의 Cl 함유량을 낮추었을 경우 어떤 효과가 발생하는가?	이러한 생성물이 접합부의 전기적 신뢰성에 악영향을 미치는 주 요인임을 알았다. 한편, Ag-에폭시계 도전성접착제의 Cl 함유량을 낮추었을 경우에는, 가혹한 고온·고습 분위기 중에서도 비교적 산화부가 적고, 전기저항의 증가도 비교적 느리게 진행되어 안정된 접합계면을 유지하였다. 따라서, Sn도금 부품을 Ag-에폭시계 도전성접착제를 이용하여 접합할 경우에는 전기적 안정성을 높이기 위해 접합제에 포함된 Cl 함유량의 저감이 요구된다.
	Ag-에폭시계 도전성접착제의 단점은 무엇인가?	특히, 주석(Sn) 도금과의 적합성 문제는 접합체의 신뢰성을 확보하기 위해 반드시 해결해야 할 과제 중의 하나이다. Ag계 도전성접착제를 Sn이 도금된 부품의 접합에 사용하면, 고온에서 Sn의 일방적인 확산에 의한 계면열화의 발생이 보고되고 있고, 고온·고습 분위기 중에서는 에폭시에 수분이 침투하여 접착제/Sn도금 계면에서 전해질로 작용하여, Ag와 Sn의 접촉전위 차에 의한 갈바닉전지가 형성되어 Sn이 부식되는 현상이 보고되고 있다.3-6) 저자들은 특히 고온·고습 환경에서의 계면열화 과정에 주목하여, 계면의 산화과정을 검토해 왔다.

참고문헌 (8)

B. I. Noh, J. B. Lee, S. H. Won and S. B. Jung, "Characteristics of Reliability for Flip Chip Package with Non-conductive paste", J. Microelectron. Packag. Soc., 14(4), 9 (2007).
B. I. Noh, J. B. Lee and S. B. Jung, "Characteristic of Underfill with Various Epoxy Resin", J. Microelectron. Packag. Soc., 13(3), 39 (2006).
J. Liu, K. Gustafsson, Z. Lai and C. Li, "Surface Characteristics, Reliability, and Failure Mechanisms of Tin/Lead, Copper, and Gold Metallizations", IEEE Trans. Comp. Packag. Manuf. Technol. Part A, 20(1), 21 (1997).
D. Lu, Q.K. Tong and C.P. Wong, "Mechanisms Underlying the Unstable Contact Resistance of Conductive Adhesives", IEEE Trans. Electron. Packag. Manuf., 22(3), 228 (1999).

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S. S. Kim, K. S. Kim and K. Suganuma, "Microstructural Changes of the Ag-Epoxy ICA/Sn Interface in a High-Humidity Environment", J. Electron. Mater., 38(6), 896 (2009).

상세보기
S. S. Kim, K. S. Kim, K. J. Lee, S. Kim, K. Suganuma and H. Tanaka, "Electrical Resistance and Microstructural Changes of Silver-Epoxy ICA Joints under High Humidity and Temperature", J. Electron. Mater., 40(2), 232 (2011).

상세보기
E. A. Brandes and G. B. Brook, Smithells metals reference book, 7th Ed., pp.14-27 Butterworth-Heinemann Ltd., (1992).
P. S. Patil, R. K. Kawar, T. Seth, D. P. Amalnerkar and P. S. Chigare, "Effect of Substrate Temperature on Structural, Electrical and Optical Properties of Sprayed Tin Oxide ( $SnO_2$ ) Thin Films", Ceram. Int., 29(7), 725 (2003).

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