[논문]고온고습 전압인가(Biased HAST) 시험에서 인쇄회로기판의 이온 마이그레이션 불량 메커니즘

허석환; 신안섭; 함석진

doi:10.6117/kmeps.2015.22.1.043

고온고습 전압인가(Biased HAST) 시험에서 인쇄회로기판의 이온 마이그레이션 불량 메커니즘
Ion Migration Failure Mechanism for Organic PCB under Biased HAST 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.22 no.1, 2015년, pp.43 - 49

허석환 (삼성전기 ACI사업부) , 신안섭 (삼성전기 ACI사업부) , 함석진 (삼성전기 ACI사업부)

초록
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전자 제품의 경박 단소화 및 고집적화가 이루어 지면서 반도체 칩뿐만 아니라 유기 기판도 고집적화가 요구되고 있다. 본 연구는 인쇄회로기판의 미세 피치 회로에 대한 고온고습 전압인가 시험을 실시하여 불량 메커니즘을 연구하였다. $130^{\circ}C/85%RH/3.3V$와 $135^{\circ}C/90%RH/3.3V$ 시험조건에서 고온고습 전압시험(Biased HAST)의 가속 계수는 2.079로 계산되었다. 불량 메커니즘 분석을 위하여 집속이온빔(FIB) 분석이 이용되었다. (+)전극에서는 콜로이드 형태의 $Cu_xO$와 $Cu(OH)_2$가 형성되었으며, (-)전극에서는 수지형태의 Cu가 관찰되었다. 이를 통해 $Cu^{2+}$ 이온과 전자($e^-$)가 결합한 수지상 Cu에 의해 절연파괴가 일어난다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

By the trends of electronic package to be smaller, thinner and more integrative, organic printed circuit board is required to be finer Cu trace pitch. This paper reports on a study of failure mechanism for PCB with fine Cu trace pitch using biased HAST. In weibull analysis of the biased HAST lifetime, it is found that the acceleration factor (AF) of between $135^{\circ}C/90%RH/3.3V$ and $130^{\circ}C/85%RH/3.3V$ is 2.079. A focused ion beam (FIB) was used to polish the cross sections to reveal details of the microstructure of the failure mode. It is found that $Cu_xO/Cu(OH)_2$ colloids and Cu dendrites were formed at anode (+) and at cathode (-), respectively. Thus, this gives the evidence that Cu dendrites formed at cathode by $Cu^{2+}$ ion migration lead to a short failure between a pair of Cu nets.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

(b)에 나타내었으며, (−)전극과 (+)전극 사이의 변화를 확인하기 위하여 1, 2, 3 부분의 확대 SEM 관찰을 진행하였다.
고온고습 전압인가 시험(biased HAST) 조건은 Table 1과 같이 130ºC/85%RH/3.3V와 135ºC/90%RH/3.3V로, 시편 수량은 15개, 전수 불량 발생할 때까지 시험 진행하였다.
본 연구에서는 미세 배선을 가진 인쇄회로기판에서 고온고습 전압인가 시험(Biased Highly Accelerated Stress Test)을 통하여 발생 가능한 불량 메커니즘을 관찰, 해석하였고, 온도, 습도에 의한 가속 계수(Acceleration factor)를 산출하였다.
불량 분석을 위하여 가공 및 미세 조직 관찰은 아르곤 (Ar) 이온 단면가공장치(TIC 3x, Germany)와 집속이온빔 가공관찰장치(FIB, Quanta200, Netherlands)로 단면가공 후, 주사전자 현미경(FE-SEM, Nova200, FEI, Netherlands)와 에너지분산 X선분광기(Supra 40VP, Germany)를 이용하여 분석하였다.
산업계에서 인쇄회로기판에서의 고장의 정의는 신호를 전달하는 회로간에 신호간섭을 유발하는 절연저항 1×106Ω이하인 경우를 지칭하며,3) 본 연구에서도 불량 판정을 1×106Ω 이하로 하여 불량을 집계, 분석하였다.
열사이클 시험(Thermal cycles test, TC/B) −55ºC~125ºC에서 5 cycles, 고온고습시험(Thermal Humidity test, TH) 60ºC/60%RH에서 48시간 유지 후, 260ºC 피크온도의 리플로우 시험에서 5회 진행하였다.
인쇄회로기판의 고온고습 전압인가(Biased HAST) 시험을 통하여 가속 계수와 불량 메커니즘을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
선정된 전극은 13 μm 스페이스 간격을 갖고, 서로인접, 평형하며, 한 시편에서 한 쌍의 전극을 시험 하였다. 인쇄회로기판의 표면처리로는 무전해 니켈과 무전해 금 도금으로 표면 부식을 방지함과 동시에 솔더링성을 부과하였다. 준비된 시편의 고온고습 전압인가 시험(biased HAST)을 위하여 다음 조건으로 전처리 레벨 3를(Precondition level 3) 진행하였다.
열사이클 시험(Thermal cycles test, TC/B) −55ºC~125ºC에서 5 cycles, 고온고습시험(Thermal Humidity test, TH) 60ºC/60%RH에서 48시간 유지 후, 260ºC 피크온도의 리플로우 시험에서 5회 진행하였다. 전처리가 끝난 시편에 대하여, 전압인가를 위한 연결 단자를 와이어로 솔더링하여 연결하였고, 고온고습 전압인가 시험 (biased HAST)은 ESPEC社 HAST 챔버와 AMI (Auto Measurement Ion-migration) 저항 실시간 측정(In-situ measurement) 장치로 시험하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시편은 미세 회로를 갖는 6층 반도체용 인쇄회로기판으로 한 쌍의 인접한 전극을 선정하였다. 선정된 전극은 13 μm 스페이스 간격을 갖고, 서로인접, 평형하며, 한 시편에서 한 쌍의 전극을 시험 하였다.
선정된 전극은 13 μm 스페이스 간격을 갖고, 서로인접, 평형하며, 한 시편에서 한 쌍의 전극을 시험 하였다.

성능/효과

(+)전극 주위에는 점 형태의 Cu가 (노란 화살표) 방사형을 이루고 있는 것이 관찰되었으며, (−)전극주위에서는 수지상 형태의 Cu가 관찰되었으며, 이는 (+)전극의 Cu 와 달리 2 μm 이상의 Cu 덩어리로, 미세조직에서도 차이가 보였다.
(1) 130°C/85%RH/3.3V 시험조건의 척도 모수(누적고장율 63.2%)는 411시간, 135°C/90%RH/3.3V 시험조건의 척도 모수는 202 시간으로 계산되었다.
(2) 130°C/85%RH/3.3V 대비 135°C/90%RH/3.3V 시험조건에서의 평균 수명에 의한 가속 계수(AF)는 2.079 로 얻어졌다.
(3) (+)전극주위에서는 콜로이드 형태의 Cu 산화물들이 방사형으로 분포하였고, (−)전극 주위에서는 수지형태의 Cu 가 관찰되었다.
5개 시편에서의 저항값 측정 결과로써, 200시간 이후 평가에서 저항값의 감소가 순간적으로 발생하여 280시간 이후에서 불량 저항값인 1×106Ω 이하로 저항값이 떨어지는 것을 알 수 있다.
62×10⁻⁵ eV/K를 사용하였다.^6,7,9-11) Peck 법칙에 의해 계산된 가속 계수 (AF)는 1.167로 계산되었으며, 이는 평수 수명 비로 구한 가속 계수(AF) 보다 작은 가속 계수 값을 나타내었다. Peck 법칙을 이용한 가속 계수(AF) 계산에는 많은 인용데이터가 사용되었으며, 여기에 사용된 데이터는 반도체 IC용 데이터로 인쇄회로기판에는 차이가 있을 것으로 생각된다.
6시간이었다. 결론적으로 가속 계수(AF)는 2.079 값을나타내었다. 즉, 130ºC/85%RH/3.

후속연구

Peck 법칙을 이용한 가속 계수(AF) 계산에는 많은 인용데이터가 사용되었으며, 여기에 사용된 데이터는 반도체 IC용 데이터로 인쇄회로기판에는 차이가 있을 것으로 생각된다. 이에 비해 평균 수명 비에 의한 가속 계수(AF) 산출은 본 연구 실험데이터로 산출하여 신뢰도가 높지만, 추가로 시험 조건의 다양성(3조건 이상)과 형상 모수의 동일성(가속성) 여부에 따른 추가 실험이 필요하다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고집적화 된인쇄회로기판에게 요구되는 성능은 무엇인가?	모바일 기기의 발달은 전자제품의 고집적화에 대한 지속적인 요구로 인쇄회로기판에서의 미세 배선 또한 예외가아니다. 이러한 고집적화 된인쇄회로기판은 보다 극한 환경에서 고신뢰도를 요구하고 있다. 인쇄회로기판의 미세배선화는고온, 고습, 고전압의 환경에서 불안정한 전기화학적 상황에 놓이게 되고, 이는 취약한 신뢰성으로 나타나 많은 손실이 보고 되고 있다.
	인쇄회로기판의 미세배선화에서 발생할 수 있는 문제점은?	이러한 고집적화 된인쇄회로기판은 보다 극한 환경에서 고신뢰도를 요구하고 있다. 인쇄회로기판의 미세배선화는고온, 고습, 고전압의 환경에서 불안정한 전기화학적 상황에 놓이게 되고, 이는 취약한 신뢰성으로 나타나 많은 손실이 보고 되고 있다.1-3) 이에 전자 부품에서의 금속 이온 마이그레이션(metallic ion migration)과 위스커 (whisker)에연구가 다수 보고되고있다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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F. Franz, W. Ralf and T. Axel, "Diffusion of metals in polymers", Materials Science and Engineering, R22, 1 (1998).

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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