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문제 정의
- Sn-3.5Ag 솔더 범프의 금속간 화합물(intermetallic compound) 성장거동에 미치는 PCB 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 전기적 및 기계적 평가에 따른 솔더 접합부의 금속간 화합물 형성과 성장거동을 연구하였다.
- 따라서 본 연구에서는 Sn-3.5Ag 조성의 BGA 솔더 범프에서 표면처리에 따른 계면 반응 특성 및 electromigration 특성을 알아보기 위하여 PCB 표면에 ENIG 표면처리와 OSP 표면처리를 하여 솔더 접합부를 in-situ 실험을 통하여 비교 분석하였다. 또한, 표면처리에 따른 접합 강도 특성을 평가하기 위하여 고속의 전단 속도 조건에서 볼 전단 강도 평가를 실시하였다.
가설 설정
- Wu 그룹은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 전자가 유입되는 영역에서의 온도가 다른 부분과 비교하였을 때, 보다 높은 온도가 측정되었다고 보고하였다.22) 이를 바탕으로 전자가 유입되는 접합부에서 Cu와 Sn은 다른 영역보다 활발하게 반응을 하게되고, Cu가 급격하게 소모됨으로써 파괴가 일어나게 된다.23) 이러한 파괴모드는 본 연구 결과와 매우 비슷한 결과이다.
제안 방법
- Fig. 2(a)는 ENIG 표면처리 된 시편의 접합 직후 미세구조이며, EDS 분석을 통하여 Sn/Ni(P) 계면에서 Ni3Sn4 및 Ni3-P(prich Ni layer) 금속간 화합물이 형성된 것을 관찰하였다. Fig.
- 이것은 ENIG 표면처리에서 Cu와 솔더 사이에 Sn과 반응이 서로 활발하지 않은 Ni(P)층이 존재하기 때문에 나타나는 차이로 판단된다.16) 열처리에 따른 Sn-3.5Ag 솔더 범프에서의 금속간 화합물 형성과 성장거동을 관찰하기 위해 각각 135, 150, 170℃ 온도에서 1000 h 동안 열처리 실험을 진행하였다. Fig.
- 각 조건에서의 전류를 인가한 후 실시간으로 변화하는 전압을 측정하여 저항으로 환산한 뒤 저항이 20 % 증가하는 시점을 파괴시간으로 간주하였다. Electromigration 수명평가 시 인가하는 전류밀도는 표면처리의 영향을 알아보기 위하여 솔더 범프의 단면적이 아닌 PCB 표면처리 기판 쪽의 pad open의 단면적으로 계산하여 평가하였다. 각 시편에서의 파괴시간을 log-normal 분포로 가정하여 실험조건에서의 평균파괴시간(t50, MTTF)과 표준편차(σ)를 평가하였다.
- 0 × 10 3 A/cm2 전류밀도 조건에서 ENIG 표면처리 및 OSP 표면처리에 따른 electromigration 수명평가를 실시하였다. Electromigration 수명평가는 오븐 내에서 표면처리 별 9~10개의 샘플을 동시에 실험하였으며, 시편에 전류를 인가 할 때, 솔더 범프 내부에서 Joule heating에 의해서 시편의 온도가 증가하게 되는데 이러한 Joule heating effect를 측정하기 위해 칩의 뒷면에 thermocouple을 직접 부착하여 실시간으로 온도변화를 관찰하였다. 각 조건에서의 전류를 인가한 후 실시간으로 변화하는 전압을 측정하여 저항으로 환산한 뒤 저항이 20 % 증가하는 시점을 파괴시간으로 간주하였다.
- Sn-3.5Ag 솔더 범프를 130℃, 5.0 × 10 3 A/cm2 전류밀도 조건에서 ENIG 표면처리 및 OSP 표면처리에 따른 electromigration 수명평가를 실시하였다.
- Sn-3.5Ag 솔더 범프의 PCB 표면처리에 따른 electromigration 특성 및 전단강도를 비교하기 위하여 열처리, electromigration 수명평가, 전단속도에 따른 강도평가를 실시하였다. 열처리 시간에 따라 ENIG 표면처리에서는 Ni3Sn4 상이, OSP 표면처리에서는 Cu6Sn5, Cu3Sn상의 금속간 화합물이 생성 되었으며, 활성화 에너지의 값은 각각 0.
- Electromigration 수명평가는 오븐 내에서 표면처리 별 9~10개의 샘플을 동시에 실험하였으며, 시편에 전류를 인가 할 때, 솔더 범프 내부에서 Joule heating에 의해서 시편의 온도가 증가하게 되는데 이러한 Joule heating effect를 측정하기 위해 칩의 뒷면에 thermocouple을 직접 부착하여 실시간으로 온도변화를 관찰하였다. 각 조건에서의 전류를 인가한 후 실시간으로 변화하는 전압을 측정하여 저항으로 환산한 뒤 저항이 20 % 증가하는 시점을 파괴시간으로 간주하였다. Electromigration 수명평가 시 인가하는 전류밀도는 표면처리의 영향을 알아보기 위하여 솔더 범프의 단면적이 아닌 PCB 표면처리 기판 쪽의 pad open의 단면적으로 계산하여 평가하였다.
- 실험 조건은 접합 후의 시편으로 10~3000 mm/s의 전단 시험 속도와 40 um의 전단높이 조건하에서 다양한 전단속도에 대한 각 표면처리 별 접합 강도 특성을 평가하였다. 기계적 접합강도 평가에 대한 파괴기구를 규명하기 위해 전단 시험 후 파면을 분석하였다. 각 표면처리 별 전단속도에 따른 전단강도 및 에너지 값에 대한 그래프를 Fig.
- 두 표면처리 모두 135, 150, 170℃ 에서 열처리 실험을 하였으며, electromigration 수명 평가는 daisy chain 구조 시편을 이용하여 130℃, 5.0 × 103 A/cm2 의 전류 밀도 조건에서 9~10개의 시편을 동시 실험하였다.
- 표면처리에 따른 미세구조 분석 및 파괴에 따른 분석은 SEM의 BSE 이미지와 energy dispersive x-ray spectroscopy(EDS)를 이용하여 분석하였다. 또한 in-situ SEM을 통하여 실시간으로 금속간 화합물 성장 거동을 분석하고 금속간 화합물의 두께는 image analyzer를 이용하여 측정한 금속간 화합물의 면적을 계면의 길이로 나눔으로써 정의하였고, 열처리 온도와 시간에 따른 금속간 화합물의 두께변화를 이용하여 활성화 에너지 값을 도출하였다.
- 5Ag 조성의 BGA 솔더 범프에서 표면처리에 따른 계면 반응 특성 및 electromigration 특성을 알아보기 위하여 PCB 표면에 ENIG 표면처리와 OSP 표면처리를 하여 솔더 접합부를 in-situ 실험을 통하여 비교 분석하였다. 또한, 표면처리에 따른 접합 강도 특성을 평가하기 위하여 고속의 전단 속도 조건에서 볼 전단 강도 평가를 실시하였다.
- 5Ag 솔더 접합부의 접합강도에 대한 표면처리의 영향을 평가하기 위해 볼 전단 시험을 실시하였다. 볼 전단시험은 고속 접합 강도 시험기를 이용하여 평가하였다. 실험 조건은 접합 후의 시편으로 10~3000 mm/s의 전단 시험 속도와 40 um의 전단높이 조건하에서 다양한 전단속도에 대한 각 표면처리 별 접합 강도 특성을 평가하였다.
- 5(wt%)Ag 조성의 BGA 솔더볼이 사용되었다. 상부 P-BGA 와 하부 PCB 에 단층 copper-clad-laminate(CCL) 형성 후, non solder mask defined(NSMD) 타입으로 설계되었다. 상부에 사용된 P-BGA 패드 층의 표면처리는 ENIG 표면처리로, Ni(P)층을 무전해 도금으로 형성 후, Au 층을 치환 도금으로 형성하였다.
- 상부 P-BGA 와 하부 PCB 에 단층 copper-clad-laminate(CCL) 형성 후, non solder mask defined(NSMD) 타입으로 설계되었다. 상부에 사용된 P-BGA 패드 층의 표면처리는 ENIG 표면처리로, Ni(P)층을 무전해 도금으로 형성 후, Au 층을 치환 도금으로 형성하였다. 하부에 사용된 기판은 PCB 타입의 FR-4 기판이 사용되었으며, 기판 위 표면처리는 각각 OSP 표면 처리와 대략 5 % 정도의 P 함량을 지닌 ENIG(Ni-P 층: 4 µm, immersion Au 층: 0.
- 볼 전단시험은 고속 접합 강도 시험기를 이용하여 평가하였다. 실험 조건은 접합 후의 시편으로 10~3000 mm/s의 전단 시험 속도와 40 um의 전단높이 조건하에서 다양한 전단속도에 대한 각 표면처리 별 접합 강도 특성을 평가하였다. 기계적 접합강도 평가에 대한 파괴기구를 규명하기 위해 전단 시험 후 파면을 분석하였다.
- 전단 속도에 따른 Sn-3.5Ag 솔더 접합부의 접합강도에 대한 표면처리의 영향을 평가하기 위해 볼 전단 시험을 실시하였다. 볼 전단시험은 고속 접합 강도 시험기를 이용하여 평가하였다.
- 볼 전단 강도는 미국 Richardson Electronics사의 범용 접합부 테스트 장비(Dage-4000HS)를 이용하여 joint electronic device engineering council (JEDEC) 규격(JEDEC22-B117A)15) 을 기준으로 10~3000 mm/s 조건과 전단높이 40 µm의 조건으로 전단강도를 평가하였다. 표면처리에 따른 미세구조 분석 및 파괴에 따른 분석은 SEM의 BSE 이미지와 energy dispersive x-ray spectroscopy(EDS)를 이용하여 분석하였다. 또한 in-situ SEM을 통하여 실시간으로 금속간 화합물 성장 거동을 분석하고 금속간 화합물의 두께는 image analyzer를 이용하여 측정한 금속간 화합물의 면적을 계면의 길이로 나눔으로써 정의하였고, 열처리 온도와 시간에 따른 금속간 화합물의 두께변화를 이용하여 활성화 에너지 값을 도출하였다.
- 상부 P-BGA의 패드와 솔더볼에 rosin mildly activated(RMA) 플럭스를 도포 후 솔더볼을 탑제(solder ball attach) 하고, 227℃ 이상에서 60초 동안 리플로우 접합 후 플럭스 세척제를 사용하여 잔여 플럭스를 제거하였다. 한 번 리플로우 과정을 거친 시편의 경우 상부 P-BGA에 붙어있는 솔더볼과 하부 PCB 에 다시 한 번 RMA 플럭스를 도포한 후 두 기판을 정렬하고, 두 번째 리플로우를 통하여 시험용 시편을 제작하였다. Fig.
대상 데이터
- 0 × 103 A/cm2 의 전류 밀도 조건에서 9~10개의 시편을 동시 실험하였다. 기계적 신뢰성 평가용 시편은 총 64개의 솔더볼을 실장하여 접합하였으며, 실장 된 솔더볼은 볼 전단 강도 시험을 위해 평가될 영역의 솔더볼을 제외하고 나머지 솔더볼을 제거하였다. 볼 전단 강도는 미국 Richardson Electronics사의 범용 접합부 테스트 장비(Dage-4000HS)를 이용하여 joint electronic device engineering council (JEDEC) 규격(JEDEC22-B117A)15) 을 기준으로 10~3000 mm/s 조건과 전단높이 40 µm의 조건으로 전단강도를 평가하였다.
- 실험에 사용된 bis-maleimide-triazine(BT)-type 레진(resin)으로 제조된 P-BGA(plastic-BT) 상부 기판과 지름 490 µm, 높이 323 µm, Sn-3.5(wt%)Ag 조성의 BGA 솔더볼이 사용되었다.
데이터처리
- 각 시편에서의 파괴시간을 log-normal 분포로 가정하여 실험조건에서의 평균파괴시간(t50, MTTF)과 표준편차(σ)를 평가하였다.
이론/모형
- 볼 전단 강도는 미국 Richardson Electronics사의 범용 접합부 테스트 장비(Dage-4000HS)를 이용하여 joint electronic device engineering council (JEDEC) 규격(JEDEC22-B117A)15) 을 기준으로 10~3000 mm/s 조건과 전단높이 40 µm의 조건으로 전단강도를 평가하였다.
- 는 활성화 에너지, R은 기체상수 그리고 T는 열처리 온도를 나타낸다. 열처리 시 표면처리 별 금속간 화합물 성장에 대한 활성화 에너지를 구하기 위해서 Arrhenius plot을 이용하였으며, 이를 Fig. 5에 나타내었다. ENIG 표면처리의 경우, 전체 금속간 화합물인 Ni3Sn4 금속간 화합물에의 활성화 에너지 값은 0.
성능/효과
- Fig. 9(b)의 전단 에너지 값은 전단 속도가 증가함에 따라 ENIG와 OSP 표면처리 모두 감소하는 것을 확인 할 수 있는데, 이는 전단 속도가 증가함에 따라 솔더의 인성이 감소하기 때문으로 판단 된다. 각 표면처리 별 고속 전단시험 범위에서 시험된 SEM 파면 이미지를 Fig.
- 72 eV로 평가 되었고,10) 전단 강도 평가 결과 OSP, immersion Sn 표면처리 보다 ENIG 표면처리의 전단강도가 더 크다고 평가되었다.11) 또한 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 조성의 BGA 솔더 범프를 135~170℃ 조건에서 OSP, ENIG 표면처리의 활성화 에너지 값은 각각 0.86 eV, 0.87eV 값으로 평가 하였으며,12)전단강도 평가 결과 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리보다 더 높은 전단강도 값을 나타내었다.13) 또한, Sn-3.
- 5) BGA 실장기술은 칩과 패키지 간 범프 간격이 짧기 때문에 칩의 소형화에 유리한 장점을 가지고 있다. 이와 같은 고집적 패키지의 개발로 전자제품의 소형화 및 고성능화는 가능해졌지만 솔더 접합부의 신뢰성이 전자 기기의 수명과 직접적 연관을 가지게 되면서 관련 패키지 기술 개발 및 연구가 활발히 진행되고 있다.
- 5에 나타내었다. ENIG 표면처리의 경우, 전체 금속간 화합물인 Ni3Sn4 금속간 화합물에의 활성화 에너지 값은 0.84 eV로 평가되었으며, OSP 표면처리의 경우, 전체 금속간 화합물인 Cu6Sn5 와 Cu3Sn의 활성화 에너지 값이 0.94 eV로 평가되었다. 기 그룹에서는 Sn-3.
- 4에서 표면처리에 따라 금속간 화합물 성장 속도가 차이 나는 것을 확인할 수 있는데, 이는 위에서 언급한 Cu와 솔더 사이에 Sn과 반응이 활발하지 않은 Ni(P)층이 확산방지막 역할을 했기 때문이라 판단된다. 같은 온도와 시간 조건에서 금속간 화합물의 성장속도는 ENIG 표면처리보다 OSP 표면처리가 빠른 것을 확인할 수 있었다. 따라서 ENIG 표면처리가 열처리에 따른 금속간 화합물 성장 거동과 관련한 계면 반응 특성에서 OSP 표면처리보다 안정적인 것으로 판단된다.
- 6에 나타내었다. 그래프에서 볼 수 있듯이 ENIG 표면처리의 경우 136.7 h, OSP 표면처리의 경우 97.9 h으로 평균파괴시간이 각각 평가되었고, 표준편차 값은 각각 0.36, 0.64로 도출되었다. 표준편차의 값은 작을수록 그 데이터의 신뢰성이 높은 것이며, 시편간의 편차 또한 작은 것임을 나타낸다.
- 같은 온도와 시간 조건에서 금속간 화합물의 성장속도는 ENIG 표면처리보다 OSP 표면처리가 빠른 것을 확인할 수 있었다. 따라서 ENIG 표면처리가 열처리에 따른 금속간 화합물 성장 거동과 관련한 계면 반응 특성에서 OSP 표면처리보다 안정적인 것으로 판단된다.
- 94 eV 값을 나타내었다. 또한 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리 보다 높은 electromigration 수명 결과를 나타내었다. 이는 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리에서 생성되는 Cu6Sn5 상보다 열적으로 안정한 Ni3Sn4상을 형성하여 확산방지층 역할을 했기 때문으로 판단된다.
- 이는 전단속도가 증가함에 따라 솔더의 인성이 감소하기 때문으로 판단된다. 또한 고속 전단평가 파면을 분석한 결과 OSP 표면처리는 취성 파괴만이 일어났으며, ENIG에서는 연성파괴와 취성파괴가 동시에 일어났다. 이는 ENIG 표면처리의 경우 Sn과의 반응성이 낮은 Ni이 얇은 층의 Ni3Sn4상을 생성하고, OSP 표면처리의 경우 Sn과 반응성이 높은 Cu가 두꺼운 층의 Cu6Sn5상을 형성하였기 때문이라 판단된다.
- OSP 표면처리에 비하여 ENIG 표면처리의 다소 높은 전단강도를 관찰할 수 있다. 또한, ENIG 표면처리의 경우, 2000 mm/s 의 전단속도까지 전단강도가 증가하는 경향을 보이지만, OSP 표면처리의 경우, 250 mm/ s 의 전단속도 이후 전단강도가 감소하는 경향을 관찰하였으나 두 표면처리의 전단강도 값은 유사하게 나타났다. 이 결과는 Sn-3.
- 위의 결과 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리에 비하여 electromigration 수명 평가에 대하여 조금 더 뛰어나다는 것을 확인 할 수 있다. 열처리 결과에서 또한 ENIG 표면처리의 경우, OSP 표면처리에 보다 낮은 금속간 화합물 성장속도와 성장률을 보였다. 이는 Sn내에서 Cu의 확산계수가 Ni의 확산계수보다 약 20배 더 크며, electromigration 수명평가 동안 전자에 의해 가속화되기 때문에 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리 보다 더 긴 수명을 가진 것으로 판단된다.
- 5Ag 솔더 범프의 PCB 표면처리에 따른 electromigration 특성 및 전단강도를 비교하기 위하여 열처리, electromigration 수명평가, 전단속도에 따른 강도평가를 실시하였다. 열처리 시간에 따라 ENIG 표면처리에서는 Ni3Sn4 상이, OSP 표면처리에서는 Cu6Sn5, Cu3Sn상의 금속간 화합물이 생성 되었으며, 활성화 에너지의 값은 각각 0.84 eV, 0.94 eV 값을 나타내었다. 또한 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리 보다 높은 electromigration 수명 결과를 나타내었다.
- 표준편차의 값은 작을수록 그 데이터의 신뢰성이 높은 것이며, 시편간의 편차 또한 작은 것임을 나타낸다. 위의 결과 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리에 비하여 electromigration 수명 평가에 대하여 조금 더 뛰어나다는 것을 확인 할 수 있다. 열처리 결과에서 또한 ENIG 표면처리의 경우, OSP 표면처리에 보다 낮은 금속간 화합물 성장속도와 성장률을 보였다.
- 전단강도평가 결과 ENIG, OSP 표면처리가 비슷한 전단강도의 값을 나타내었으며, 전단에너지는 두 표면처리 모두 전단속도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 전단속도가 증가함에 따라 솔더의 인성이 감소하기 때문으로 판단된다.
- 2(b)는 OSP 표면처리 된 시편의 접합 직후의 미세구조이며, EDS 분석을 통하여 접합 패드 계면에서 Cu6Sn5금속간 화합물이 형성된 것을 관찰하였다. 접합 직후, ENIG 표면처리보다 OSP 표면처리에서 금속간 화합물층이 더 두껍게 형성된 것을 관찰하였다. 이것은 ENIG 표면처리에서 Cu와 솔더 사이에 Sn과 반응이 서로 활발하지 않은 Ni(P)층이 존재하기 때문에 나타나는 차이로 판단된다.
후속연구
- 10(b)의 OSP 표면처리는 전단속도가 증가에 따라 금속간 화합물 층에서 파괴가 일어나는 취성파괴만 관찰되었다. 3000 mm/s의 전단속도에서 OSP 표면처리와 ENIG 표면처리가 다른 파괴모드로 관찰되는 것 또한 앞서 언급한 금속간 화합물 파괴분율의 차이와 얇은 층의 Ni3Sn4 상과 두꺼운 층의 Cu6Sn5 상의 차이에 의한 것으로 판단되며, 보다 정확한 원인 규명을 위해 추가적인 분석 및 연구가 필요한것으로 판단된다.
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