PCB 표면처리에 따른 Sn-3.0Ag-0.5Cu 무연솔더 접합부의 in-situ 금속간 화합물 성장 및 Electromigration 특성 분석 Effects of PCB Surface Finishes on in-situ Intermetallics Growth and Electromigration Characteristics of Sn-3.0Ag-0.5Cu Pb-free Solder Joints원문보기
인쇄회로기판솔더 상부 및 하부 접합부의 서로 다른 표면처리 조건에 따른 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) 접합부의 열처리 및 전류 인가에 따른 금속간 화합물 성장거동을 비교하기 위하여 in-situ 미세구조분석 및 electromigration (EM) 수명평가를 실시하였다. 솔더 접합 직후, 상부 접합부의 electroless nickel immersion gold (ENIG) 표면처리에서는 $(Cu,Ni)_6Sn_5$, 하부 접합부의 organic solderability preservative (OSP) 표면처리에서는$ Cu_6Sn_5$, $Cu_3Sn$ 금속간 화합물이 접합 계면에서 생성되었다. EM 수명평가 결과 온도 $130^{\circ}C$, 전류밀도$5.0{\times}10^3A/cm^2$ 하에서 평균파괴시간이 약 78.7 hrs으로 도출되었고, 하부 OSP 표면처리에서 전자가 솔더로 빠져나가는 부분에서 Cu의 소모에 의한 단락이 주 손상기구로 확인되었다. In-situ 주사전자현미경을 통해 계면 미세구조 분석 결과 상부 접합부 ENIG 표면처리에서 전자의 방향에 따른 미세구조의 큰 차이가 없고 뚜렷한 손상이 관찰되지 않았으나, 하부 접합부 OSP 표면처리의 경우 전자가 솔더로 유입되는 부분에서 빠른 Cu 소모로 인한 보이드 성장이 관찰되었다. 따라서, SAC305무연솔더 접합부에서 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리보다 보다 우수한 EM확산방지막 역할을 하여 금속간 화합물 성장을 억제하고 보다 우수한 EM 신뢰성을 보이는 것으로 판단된다.
인쇄회로기판 솔더 상부 및 하부 접합부의 서로 다른 표면처리 조건에 따른 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) 접합부의 열처리 및 전류 인가에 따른 금속간 화합물 성장거동을 비교하기 위하여 in-situ 미세구조분석 및 electromigration (EM) 수명평가를 실시하였다. 솔더 접합 직후, 상부 접합부의 electroless nickel immersion gold (ENIG) 표면처리에서는 $(Cu,Ni)_6Sn_5$, 하부 접합부의 organic solderability preservative (OSP) 표면처리에서는$ Cu_6Sn_5$, $Cu_3Sn$ 금속간 화합물이 접합 계면에서 생성되었다. EM 수명평가 결과 온도 $130^{\circ}C$, 전류밀도 $5.0{\times}10^3A/cm^2$ 하에서 평균파괴시간이 약 78.7 hrs으로 도출되었고, 하부 OSP 표면처리에서 전자가 솔더로 빠져나가는 부분에서 Cu의 소모에 의한 단락이 주 손상기구로 확인되었다. In-situ 주사전자현미경을 통해 계면 미세구조 분석 결과 상부 접합부 ENIG 표면처리에서 전자의 방향에 따른 미세구조의 큰 차이가 없고 뚜렷한 손상이 관찰되지 않았으나, 하부 접합부 OSP 표면처리의 경우 전자가 솔더로 유입되는 부분에서 빠른 Cu 소모로 인한 보이드 성장이 관찰되었다. 따라서, SAC305무연솔더 접합부에서 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리보다 보다 우수한 EM확산방지막 역할을 하여 금속간 화합물 성장을 억제하고 보다 우수한 EM 신뢰성을 보이는 것으로 판단된다.
The effects of electroless nickel immersion gold (ENIG) and organic solderability preservative (OSP) surface finishes on the in-situ intermetallics reaction and the electromigration (EM) reliability of Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) solder bump were systematically investigated. After as-bonded, $(Cu,N...
The effects of electroless nickel immersion gold (ENIG) and organic solderability preservative (OSP) surface finishes on the in-situ intermetallics reaction and the electromigration (EM) reliability of Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) solder bump were systematically investigated. After as-bonded, $(Cu,Ni)_6Sn_5$ intermetallic compound (IMC) was formed at the interface of the ENIG surface finish at solder top side, while at the OSP surface finish at solder bottom side,$ Cu_6Sn_5$ and $Cu_3Sn$ IMCs were formed. Mean time to failure on SAC305 solder bump at $130^{\circ}C$ with a current density of $5.0{\times}10^3A/cm^2$ was 78.7 hrs. EM open failure was observed at bottom OSP surface finish by fast consumption of Cu atoms when electrons flow from bottom Cu substrate to solder. In-situ scanning electron microscope analysis showed that IMC growth rate of ENIG surface finish was much lower than that of the OSP surface finish. Therefore, EM reliability of ENIG surface finish was higher than that of OSP surface finish due to its superior barrier stability to IMC reaction.
The effects of electroless nickel immersion gold (ENIG) and organic solderability preservative (OSP) surface finishes on the in-situ intermetallics reaction and the electromigration (EM) reliability of Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) solder bump were systematically investigated. After as-bonded, $(Cu,Ni)_6Sn_5$ intermetallic compound (IMC) was formed at the interface of the ENIG surface finish at solder top side, while at the OSP surface finish at solder bottom side,$ Cu_6Sn_5$ and $Cu_3Sn$ IMCs were formed. Mean time to failure on SAC305 solder bump at $130^{\circ}C$ with a current density of $5.0{\times}10^3A/cm^2$ was 78.7 hrs. EM open failure was observed at bottom OSP surface finish by fast consumption of Cu atoms when electrons flow from bottom Cu substrate to solder. In-situ scanning electron microscope analysis showed that IMC growth rate of ENIG surface finish was much lower than that of the OSP surface finish. Therefore, EM reliability of ENIG surface finish was higher than that of OSP surface finish due to its superior barrier stability to IMC reaction.
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문제 정의
이와 같이 여러 솔더 조성에서의 전기적 특성에 대한 연구가 이루어졌지만, 산업체 에 가장 널리 적용되고 있는 SAC305 조성에서의 표면처리에 따른 전기적 신뢰성에 대한 체계적인 연구는 아직 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 SAC305 무연솔더 상, 하부 계면에 각각 ENIG 와 OSP의 서로 다른 표면처리를 하여, 계면 반응 및 EM 특성 비교하기 위해, EM수명 평가 및 in-situ 주사 전자현미경을 통해 솔더 접합부의 금속간 화합물 성장거동을 정량적으로 비교 분석하였다.
제안 방법
온도 및 전류를 인가한 후 in-situ로 변화하는 전압을 측정하여 저항으로 환산한 뒤 저항이 20% 증가하는 시점을 파괴시간으로 간주하였다. EM 수명평가 시 인가하는 전류밀도는 표면처리의 영향을 알아보기 위하여 솔더 접합부의 단면적이 아닌 표면처리 한 pad open의 단면적으로 계산하여 평가하였다. 각 시편에서의 파괴시간을 log-normal 분포로 가정하여 실험조건에서의 평균파괴시간(t50, Mean Time To Failure)을 평가하였는데, 여기서 t50 은 특정 실험 조건에서 50%의 시편이 파괴되는 시간을 의미한다.
0×103 A/cm2 전류밀도 조건에서 EM 수명평가를 실시하였다. EM 수명평가는 오븐 내에서 9개의 샘플을 동시에 실험하였으며, 시편에 전류를 인가 할 때, 솔더 접합부에서 줄 열(Joule heating)에 의해 시편의 온도가 증가하게 되는데 이러한 줄 열을 측정하기 위해 칩의 뒷면에 열전대(thermocouple)를 직접 부착하여 in-situ로 온도변화를 관찰하였다. 온도 및 전류를 인가한 후 in-situ로 변화하는 전압을 측정하여 저항으로 환산한 뒤 저항이 20% 증가하는 시점을 파괴시간으로 간주하였다.
2(a)는 ENIG 표면처리 된 접합 상부 계면과 OSP 표면처리 된 접합 하부 계면의 접합 직후 미세구조 이미지이다. ENIG 표면처리의 경우 접합 직후 솔더/Ni(P) 계면에서 (Cu,Ni)6Sn5상과 P-rich 층이 형성된 것을 EDS 분석을 통하여 관찰하였다. Kao15)의 보고에 따르면 Sn-Ag-Cu계 솔더와 Ni 계면의 경우 Cu 함유량에 따라 계면에 생성되는 금속간 화합물의 상이 변하며, 솔더 내 Cu의 함량이 0.
SAC305 솔더 접합부를 130℃, 5.0×103 A/cm2 전류밀도 조건에서 EM 수명평가를 실시하였다.
SAC305 솔더 접합부의 상, 하부 계면의 서로 다른 표면처리가 EM에 의한 금속간 화합물 성장거동에 미치는 영향을 체계적으로 분석하기 위해, 온도 및 전류인가에 따른 솔더 접합부의 금속간 화합물 형성과 성장거동을 EM 수명평가와 in-situ 관찰 기법을 도입하여 분석하였다. 실험에 사용된 상부 칩 패키지는 bismaleimide-triazinetype레진(resin)으로 제조된 plastic-ball grid array (P-BGA)이고, 하부 PCB 기판은 상용 FR-4로 제작 하였다.
SAC305 솔더 접합부의 상, 하부 서로 다른 표면처리에 따른 열처리 및 전류 인가에 따른 금속간 화합물 성장거동을 비교하기 위하여 in-situ 미세구조 분석 및 EM 수명 평가를 실시하였다. 접합 직후 솔더 상부 ENIG 표면처리에서는 (Cu,Ni)6Sn5, 솔더 하부 OSP 표면처리에서는 Cu6Sn5, Cu3Sn 금속간 화합물이 접합 계면에서 생성되었다.
이를 위해, 열처리 및 전자 방향에 따른 금속간 화합물의 형성과 성장을 in-situ scanning electron microscop(SEM)의 back scattered electron(BSE) 이미지와 energy dispersive x-ray spectroscopy(EDS)를 이용하여 in-situ로 분석하였다. 금속간 화합물의 두께는 접합부 양단에 형성된 금속간 화합물의 면적을 image analyzer를 이용하여 측정 한 후 계면의 길이로 나눔으로써 도출하였다. 또한 표면처리에 따른 전기적 신뢰성을 평가하기 위하여 EM 수명평가를 130℃, 5.
또한 표면처리에 따른 전기적 신뢰성을 평가하기 위하여 EM 수명평가를 130℃, 5.0×103 A/cm2의 온도 및 전류밀도 조건에서 9개의 시편을 동시에 실험 진행하였으며, SEM의 BSE 이미지와 EDS를 이용하여 표면처리에 따른 미세구조 및 파괴모드를 분석하였다.
상부 P-BGA 패드의 표면처리는 대략 5 wt% 정도의 P 함량을 지닌 ENIG(Ni-P 층: 4 µm, immersion Au층: 0.15 µm) 표면처리로 Ni(P) 층을 무전해 도금으로 형성 후, Au 층을 치환 도금으로 형성하였으며, 하부 기판은 OSP 표면처리를 하였다.
EM 수명평가는 오븐 내에서 9개의 샘플을 동시에 실험하였으며, 시편에 전류를 인가 할 때, 솔더 접합부에서 줄 열(Joule heating)에 의해 시편의 온도가 증가하게 되는데 이러한 줄 열을 측정하기 위해 칩의 뒷면에 열전대(thermocouple)를 직접 부착하여 in-situ로 온도변화를 관찰하였다. 온도 및 전류를 인가한 후 in-situ로 변화하는 전압을 측정하여 저항으로 환산한 뒤 저항이 20% 증가하는 시점을 파괴시간으로 간주하였다. EM 수명평가 시 인가하는 전류밀도는 표면처리의 영향을 알아보기 위하여 솔더 접합부의 단면적이 아닌 표면처리 한 pad open의 단면적으로 계산하여 평가하였다.
0×103 A/cm2의 전류밀도 조건에서 in-situ EM 및 수명평가를 진행 하였다. 이를 위해, 열처리 및 전자 방향에 따른 금속간 화합물의 형성과 성장을 in-situ scanning electron microscop(SEM)의 back scattered electron(BSE) 이미지와 energy dispersive x-ray spectroscopy(EDS)를 이용하여 in-situ로 분석하였다. 금속간 화합물의 두께는 접합부 양단에 형성된 금속간 화합물의 면적을 image analyzer를 이용하여 측정 한 후 계면의 길이로 나눔으로써 도출하였다.
표면처리에 따른 SAC305 솔더 접합부의 금속간 화합물의 형성 및 성장을 in-situ로 관찰하기 위해 시편을 #600~ #2000의 연마지와 1~3 µm의 연마천 및 연마액을 이용하여 단면 폴리싱 후, 130℃의 조건에서 in-situ 열처리 실험과 130℃, 5.0×103 A/cm2의 전류밀도 조건에서 in-situ EM 및 수명평가를 진행 하였다.
이후 솔더볼 탑재 후 상부 P-BGA와 BGA 솔더볼에 rosin mildly activated(RMA) 플럭스를 도포하고 227℃ 이상에서 60초 동안 리플로우 접합 후에 플럭스 세척제를 사용하여 잔여 플럭스를 제거하였다. 한 번 리플로우 과정을 거친 시편의 경우 상부 P-BGA에 붙어있는 솔더볼과 하부 PCB에 다시 한 번 RMA 플럭스를 도포한 후에 두 기판을 정렬하여 두 번째 리플로우를 시행하여 시편을 Fig. 1의 모식도와 같이 제작하였다.
대상 데이터
SAC305 솔더 접합부의 상, 하부 계면의 서로 다른 표면처리가 EM에 의한 금속간 화합물 성장거동에 미치는 영향을 체계적으로 분석하기 위해, 온도 및 전류인가에 따른 솔더 접합부의 금속간 화합물 형성과 성장거동을 EM 수명평가와 in-situ 관찰 기법을 도입하여 분석하였다. 실험에 사용된 상부 칩 패키지는 bismaleimide-triazinetype레진(resin)으로 제조된 plastic-ball grid array (P-BGA)이고, 하부 PCB 기판은 상용 FR-4로 제작 하였다. 솔더볼의 경우 지름 490 µm, Sn-3.
성능/효과
열처리의 경우 Fig. 3(a)와 같이 금속간화합물의 성장거동은 열처리 시간이 경과함에 따라 시간의 제곱근에 직선형태로 증가하는 경향을 보였다. 이는 Cu와 Sn사이의 금속간화합물 성장이 확산에 의해 지배되어졌기 때문이라 판단된다.
이는 Cu와 Sn사이의 금속간화합물 성장이 확산에 의해 지배되어졌기 때문이라 판단된다.16) ENIG 표면처리 시편의 경우 열처리 시간이 증가하여도 초기 (Cu,Ni)6Sn5 상의 두께는 큰 변화 없이 서서히 증가하는 것을 관찰할 수 있으며, 상대적으로 OSP 표면처리의 Cu6Sn5 상이 약간 더 빠르게 성장하는 것을 확인할 수 있다. 이는 OSP 표면처리의 경우 확산방지막이 존재하는 ENIG 표면처리와 달리 솔더볼의 Sn과 기판의 Cu가 바로 접하게 되는데, 고온의 분위기에서 Cu가 급속한 확산을 하게 되어 더 두꺼운 금속간 화합물이 생성된 것으로 판단된다.
대표적인 무연솔더는 Sn-Ag, Sn-Cu 및 Sn-Ag-Cu 등이 널리 사용되고 있으며, Sn-Ag-Cu계의 솔더가 가장 많이 사용되고 있다.5) 그 중 젖음 특성 및 접합부의 신뢰성 측면에서 우수한 것으로 알려진 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) 조성이 최근 대표적인 무연 솔더로 사용되었다.6) 한편, 표면실장기술 형식 중의 하나로 ball grid array(BGA)와 같은 고집적 패키지 기술이 개발되면서 소형 전자기기를 비롯한 많은 전자 부품 실장에 이용되고 있다.
또한, 열처리 및 전류인가 조건 하에서 ENIG 표면처리의 경우 Cu와 Sn 사이에 Ni(P)의 확산방지층이 존재하기 때문에 OSP 표면처리 보다 낮은 금속간 화합물 성장 속도를 보였다. EM 수명 결과 평균 파괴시간은 78.74 hrs으로 평가되었으며, 무연솔더의 조성 보다는 표면처리 소재 및 구조의 영향이 훨씬 크다고 판단된다. 솔더 하부 OSP 표면처리에서 전자가 솔더로 빠져나가는 부분에서 Cu의 소모에 의한 단락 파괴가 발생한 것을 확인 할 수 있었고, in-situ 분석결과 ENIG 와 OSP 표면처리 사이의 서로 다른 EM 극성효과에 의한 것으로 판단된다.
6(a)는 전자의 방향이 아래쪽에서 위쪽으로 흐를 때 ENIG와 OSP 표면처리에서의 전자가 집중되는 부분을 나타낸 이미지이다. ENIG 표면처리의 경우 솔더에서 Cu로 전자가 빠져나갈 때 실험 시간이 지남에 따라서 큰 차이가 없는 것을 확인 할 수 있지만 OSP 표면처리의 경우 전자가 Cu에서 솔더로 유입되는 구간에서 시간이 지남에 따라 금속간 화합물이 두꺼워 지면서 Cu와 Sn의 EM 유속 차이에 의한 보이드가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이로 인해서 Fig.
이러한 전자 방향에 따른 ENIG 표면처리와 OSP 표면처리의 솔더 접합부 계면에서 다른 금속간 화합물 성장 거동은 앞서 말한 극성효과 때문이라 판단된다.19)따라서, SAC305 무연솔더 접합부에서 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리보다 보다 우수한 EM 확산방지막 역할을 하여 금속간 화합물 성장을 억제하고 보다 우수한 EM 신뢰성을 보이는 것으로 판단된다.
P-rich 층은 Ni(P) 도금층이 솔더의 Sn과 반응하여 Ni이 소모되는데, 이 때문에 상대적으로 P의 함량이 높아지게 되어 형성된 것으로 판단된다. 또한, OSP 표면처리 된 아래쪽 접합 계면에서는 Cu6Sn5 상만이 형성된 것을 EDS 분석을 통하여 관찰할 수 있었으며, 접합 직후 ENIG 표면처리보다 OSP 표면처리에서 금속간 화합물이 더 두껍게 형성된 것을 확인하였다. 이는 ENIG 표면처리에서 Cu와 솔더 사이에 존재하는 Ni(P)층이 Cu와 Sn의 확산을 막아주는 확산방지막 역할을 하기 때문에 Cu와 솔더가 바로 접해 있는 OSP 표면처리에 비해 더 적은 양의 금속간 화합물이 형성된 것으로 판단된다.
접합 직후 솔더 상부 ENIG 표면처리에서는 (Cu,Ni)6Sn5, 솔더 하부 OSP 표면처리에서는 Cu6Sn5, Cu3Sn 금속간 화합물이 접합 계면에서 생성되었다. 또한, 열처리 및 전류인가 조건 하에서 ENIG 표면처리의 경우 Cu와 Sn 사이에 Ni(P)의 확산방지층이 존재하기 때문에 OSP 표면처리 보다 낮은 금속간 화합물 성장 속도를 보였다. EM 수명 결과 평균 파괴시간은 78.
74 hrs으로 평가되었으며, 무연솔더의 조성 보다는 표면처리 소재 및 구조의 영향이 훨씬 크다고 판단된다. 솔더 하부 OSP 표면처리에서 전자가 솔더로 빠져나가는 부분에서 Cu의 소모에 의한 단락 파괴가 발생한 것을 확인 할 수 있었고, in-situ 분석결과 ENIG 와 OSP 표면처리 사이의 서로 다른 EM 극성효과에 의한 것으로 판단된다. 따라서, SAC305 무연솔더 접합부에서 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리보다 보다 우수한 EM확산방지막 역할을 하여 금속간 화합물 성장을 억제하고 보다 우수한 EM 신뢰성을 보이는 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 현장에서 사용이 금지된 SnPb계 솔더의 대안으로 어떤 솔더들이 현장에서 사용되고 있는가?
그러나 유해물질 제한지침(RoHS : Restriction of Hazardous Substances Directive)이 발효되면서,4) 모든 전기·전자제품에 사용할 수 없게 되었다. 이에 따라 SnPb계 솔더의 대안으로 Sn-Ag계 솔더, Sn-Ag-Cu계 솔더, Sn-Bi계 솔더 등 여러 종류의 무연솔더들이 개발되어 생산 현장에서 사용되고 있으며,3) 이에 대응하여 무연 솔더에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 대표적인 무연솔더는 Sn-Ag, Sn-Cu 및 Sn-Ag-Cu 등이 널리 사용되고 있으며, Sn-Ag-Cu계의 솔더가 가장 많이 사용되고 있다.
Sn-Pb계 솔더를 사용할 수 없는 이유는?
1-3) 한편 전자패키지에 사용되는 대표적인 솔더범프용 재료인 Sn-Pb계 솔더는 경제적이고, 우수한 솔더링 특성을 가지고 있기 때문에 산업 전반에 널리 사용되어 왔다. 그러나 유해물질 제한지침(RoHS : Restriction of Hazardous Substances Directive)이 발효되면서,4) 모든 전기·전자제품에 사용할 수 없게 되었다. 이에 따라 SnPb계 솔더의 대안으로 Sn-Ag계 솔더, Sn-Ag-Cu계 솔더, Sn-Bi계 솔더 등 여러 종류의 무연솔더들이 개발되어 생산 현장에서 사용되고 있으며,3) 이에 대응하여 무연 솔더에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
Sn-Pb계 솔더의 장점은?
최근IT 산업이 빠르게 발전하면서 태블릿, 스마트폰, 웨어러블 기기 등 다양한 혁신적인 전자제품의 빠른 신호 처리를 위한 반도체 칩의 개발과 동시에 칩과 기판 간의 빠른 신호 전달을 위한 전자 패키지의 중요성이 증대되고 있다.1-3) 한편 전자패키지에 사용되는 대표적인 솔더범프용 재료인 Sn-Pb계 솔더는 경제적이고, 우수한 솔더링 특성을 가지고 있기 때문에 산업 전반에 널리 사용되어 왔다. 그러나 유해물질 제한지침(RoHS : Restriction of Hazardous Substances Directive)이 발효되면서,4) 모든 전기·전자제품에 사용할 수 없게 되었다.
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