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문제 정의
- Ni-P 도금두께와 질산 기상 처리에 의해 제작된 시편들의 high speed shear 에너지에 미치는 영향을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 Ni-P 도금 두께에 대한 솔더 조인트 신뢰성을 연구하기 위하여 Ni-P 도금 두께별 high speed shear 평가를 통하여 shear 에너지 변화를 관찰하였고, 특히 Ni-P 도금두께와 Ni 부식의 영향도 분석을 위하여 질산 기상 처리를 통하여 high speed shear 에너지 변화와 계면 미세 조직을 고찰하여 shear 에너지에 영향을 주는 인자를 검토하였다.
제안 방법
- 기존 연구자들의 보고에 따르면, Ni-P morphology와 Ni 부식 특성 따르면, Ni-P morphology가 클수록 부식 특성은 취약해 진다고 보고되었다.10) 본 연구에서도 Fig. 5에서 보인 바와 같이 Ni-P 도금 두께와 표면 거칠기의 상관 관계를 논의하였으며, 이와 더불어 Ni-P 도금의 표면 거칠기와 Ni-P 도금 부식에 의한 high speed shear 에너지와의 관계를 규명하기 위하여 불량모드 분석을 진행하였다.
- High speed shear 에너지에서 질산 기상 처리한 6 µm Ni-P 도금 대비 3 µm Ni-P 도금의 에너지 값 감소를 분석하기 위하여 파단면 FIB 분석을 시행하여 Fig. 11에 나타내었다.
- 1은 high speed shear 평가 시편의 단면 모식도와 SAC405 솔더볼 실장후의 단면 scanning electron microscopy (SEM) 사진이다. High speed shear 평가는 dage4000HS (Dage, England)를 이용하여 shear 스피드 2250 mm/s로 shear평가를 진행하였다. Shear 스피드는 파단모드에 따른 cliff point를 shear 스피드별로 평가하여 구하였다.
- High speed shear 평가를 진행하기 위해서 시편 전처리가 끝난 시편에 메탈마스크를 이용하여 RMA 타입의 플럭스(Kester) 를 도포하고 솔더볼 실장의 위치 정확도를 높이기 위하여 볼실장용 메탈마스크를 제작, 사용하여 직경 500 µm의 Sn-4.0wt%Ag-0.5wt%Cu (SAC405) 솔더볼을 실장하였다.
- Ni-P 도금두께는 X-Ray Fluorescence (GX-RC, USA)를 사용하여 측정하였으며, Ni-P 도금 표면 거칠기는 atomic force microscope (NS10, Park-systems)를 사용하여 Ra 값을 측정하였다. 솔더 접합 계면과 파단면은 Ar ion milling system (TIC 3×, Germany), field emission scanning electron microscopy와 energy dispersive x-ray spectrometry (Supra 40VP, Germany)를 이용하여 분석하였고, 미세 계면 분석을 위하여 focused ion beam (Quanta200, Netherlands)을 이용하였다.
- High speed shear 평가는 dage4000HS (Dage, England)를 이용하여 shear 스피드 2250 mm/s로 shear평가를 진행하였다. Shear 스피드는 파단모드에 따른 cliff point를 shear 스피드별로 평가하여 구하였다.13,16,17) Fig.
- 솔더 접합 계면과 파단면은 Ar ion milling system (TIC 3×, Germany), field emission scanning electron microscopy와 energy dispersive x-ray spectrometry (Supra 40VP, Germany)를 이용하여 분석하였고, 미세 계면 분석을 위하여 focused ion beam (Quanta200, Netherlands)을 이용하였다.
- 13에 나타내었다. 솔더레지스트의 표면 경계를 검은색 실선 (solid line)으로 표현하였고, 파단을 점선 (dot line)으로 표현하였다. 1 µm Ni-P 도금에서는 솔더레지스트의 선단부분이 Ni-P 도금과 금속간 화합물과 맞닿아 있고, 이러한 지오메트리(형상)적 영향이 파단의 시작점으로 작용했음을 알 수 있다.
- 시편은 무전해 Ni-P 도금층의 두께를 4종류(1 µm, 3 µm, 6 µm, 9 µm)로 만들고, 시편 전처리로써 질산 기상처리에 따른 high speed shear 영향도를 평가하였다.
- 이 결과는 솔더 레지스트의 엣지 부분이 솔더의 금속간 화합물의 크랙 유발에 의한 것으로, Fig. 13의 1 µm Ni-P 도금 파단 시편의 FIB 분석에서 상세히 논의토록 하겠다.
- 10) 질산 기상 처리는 핫 플레이트(hot plate) 위의 탈이온수(deionized water) 내에서 60% 질산 용액을 비이커에 담고 25ºC로 중탕시키면서 시편을 기상화된 질산에 150분 노출시켰다. 이러한 질산 기상 처리 영향도를 솔더볼 shear 에너지 값과 불량모드로 평가하였다.
- 질산 기상 처리 시편과 질산 기상 처리 하지 않은 시편의 무전해 Ni-P 도금두께 별 차이를 조사하기 위하여 Pd/Au 제거액(COPKIA RIP Au2, 우에무라)을 사용하여 도금 박리후에 무전해 Ni-P 도금 표면을 SEM 으로 관찰하였다. Fig.
- 2는 솔더볼 실장과 플럭스 제거가 완료된 시편의 광학현미경 사진으로, high speed shear 평가의 용이성을 위하여 시편당 25개 솔더볼을 외각에서 3번째 열에 실장하였으며, 총 5개 시편 평가를 진행하였다. 파단 모드 분석은 솔더볼 shear 후에 광학현미경을 이용하여, Lee 등의 기존 연구자들의 파단 모드 분류 정의에 따라 분류하였다.10,13) Ductile 모드는 패드 면적의 100% 솔더가 남은 모드, quasi-ductile 모드는 금속 간화합물(IMC) 이 pad 면적의 50%이하인 모드, quasibrittle 모드는 금속간화합물(IMC) 가 패드 면적의 50%이상인 모드, brittle 모드는 금속간화합물이 패드면적의 100%인 모드로 정의하였다.
대상 데이터
- 10) 시편은 에폭시 기반의 유기 기판에 솔더레지스트를 형성하고 볼패드 영역(구리 패드)에 무전해 Ni-P 도금을 두께 1, 3, 6, 9 µm 목표로 도금하였다. 무전해 Ni-P 도금은 상용 중인(middle phosphorous) 타입의 Ni-P 도금액(NPR, 우에무라)을 사용하여 80oC, 도금두께 별로 도금시간을 달리하여 두께를 맞추었다. 솔더 접합부의 내취성 파괴를 위하여 immersion Pd을 0.
- 솔더 접합부의 내취성 파괴를 위하여 immersion Pd을 0.04 µm 도금하고, 그 후 Ni-P 도금층의 산화와 solderability를 위하여 immersion Au 도금을 0.06 µm 하여 시편을 준비하였다.
이론/모형
- 시편은 무전해 Ni-P 도금층의 두께를 4종류(1 µm, 3 µm, 6 µm, 9 µm)로 만들고, 시편 전처리로써 질산 기상처리에 따른 high speed shear 영향도를 평가하였다. 시편 제작 및 구조는 Fig. 1에 나타냈으며, Lee 등의 무전해 Ni-P 도금조건과 질산 기상처리 방법을 따랐다.10) 시편은 에폭시 기반의 유기 기판에 솔더레지스트를 형성하고 볼패드 영역(구리 패드)에 무전해 Ni-P 도금을 두께 1, 3, 6, 9 µm 목표로 도금하였다.
성능/효과
- (1) 질산 기상 처리하지 않은 Ni-P 도금에서 1 µm Ni-P 도금의 high speed shear 에너지는 3~9 µm Ni-P의 shear 에너지 (평균 3.49~3.55 mJ) 보다 낮은 평균 2.87 mJ을 나타내었다. 이는 솔더레지스트와 Ni-P 도금의 지오메트리(형상)적 영향이다.
- (2) 질산 기상 처리한 Ni-P 도금에서 1 µm과 3 µm Ni-P 도금의 high speed shear 에너지는 6~9 µm Ni-P 도금의 shear 에너지 (평균 2.43~2.67 mJ) 보다 낮은 평균 1.01 mJ 과 1.68 mJ을 나타내었다. 이는 Ni-P 도금두께 감소에 따른 표면 거칠기 (Ra)의 증가가 Ni 부식을 유발하여 high speed shear 에너지가 낮게 나타났다.
- (3) Ni-P nodule 간 거리가 가까울수록 Ni-P 도금 성장이 많을수록 두 nodule 간 경계의 스트레스는 작아진다. 이러한 Ni-P 핵생성과 Ni-P nodule의 성장 (Ni-P 도금두께)은 high speed shear 에너지 (솔더조인트 신뢰성)에 영향을 미치는 인자이다.
- 3 µm Ni-P 도금 시편에서는 Ni 부식 을 광범위하게 관찰할 수 있으며, 계면 금속간화합물 (Ni,Cu)2SnP과 딤플이 관찰되었다.
- 질산 기상 처리를 한 시편들의 shear 에너지를 보면, 6 µm Ni-P와 9 µm Ni-P 도금의 high speed shear 에너지는 평균 2.43~2.67 mJ 값을 나타냈으며, 1 µm Ni-P 도금과 3 µm Ni-P 도금의 shear 에너지는 평균 1.01 mJ과 1.68 mJ 값으로 6~9 µm Ni-P의 shear 에너지 값 대비 각각 평균 1.42 mJ과 0.75 mJ로 낮은 에너지를 나타내었다.
- 2%로 높게 나타났으며, 이는 1 µm Ni-P 도금 시편의 high speed shear 에너지 감소는 quasi- 와 brittle 모드의 증가의 영향임을 알 수 있다. 질산 기상 처리한 시편에서는, Ni-P 도금의 두께가 두꺼워질수록 quasi- 와 brittle 모드의 점유율은 81.8%, 34.4%, 26.4%, 19.2%로 지속 감소함을 알 수 있다. 이는 Ni-P 도금 두께와 표면 거칠기(Ra)와 high speed shear 불량 모드는 상호 연관관계가 있다는 것으로, 즉 Ni-P 도금 표면 거칠기(Ra)가 클수록 Ni-P 도금 부식에 영향을 주고 이는 high speed shear 불량 모드의 점유율 변화로 나타난 것으로 사려된다.
- 질산 기상 처리한 시편의 shear 에너지는 1 µm Ni-P도금에서 shear 에너지가 낮아지는 질산 기상 처리하지 않은 시편과 달리 3 µm Ni-P 도금두께 이하에서 shear 에너지가 낮아지는 경향을 보였다.
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