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문제 정의
- Sn-Pb 합금을 대체하기 위해 Sn-Bi, Sn-In, Sn-Ag 등의 다양한 원소조합을 갖는 합금솔더가 연구되었으며, 최근에는 Sn-Ag-Cu 및 Sn-Ag합금계 솔더가 상용적으로 활용되고 있다. 본 연구는 상용화된 Sn-Ag 도금액을 비롯하여 문헌 등을 참조하여 도금첨가제의 조성비가 공개된 Sn-Ag 합금도금액을 자체적으로 제작하여 다양한 전류조건에서 Sn-Ag 도금층의 특성을 평가하고 reflow시 형성되는 금속간 화합물에 대해 평가한 내용을 담고 있다.
제안 방법
- . Reflow 는 240oC, 90 sec간 실시되었으며, 횟수에 따른 미세조직 변화를 관찰하기 위해 reflow 열처리를 1, 3, 5회 실시한 후에 단면 분석을 실시하였다. 결과 에서 알 수 있는 바와 같이 하단부의 Cu 필라와 그 상단의 Sn 도금층 간의 열처리를 통해 Cu-Sn 화합물이 형성된 것을 알 수 있었다.
- SnAg도금에 대한 보다 안정한 상태에서의 평가를 위해 상용첨가제를 사용하여 전류밀도에 따른 표면형상 및 Ag 농도변화를 측정하였으며, 그림 4에 SEM 측정결과를 나타내었다. 앞서 그림 1의 결과와 마찬가지로 전류밀도에 따라 표면형상이 미세해지는 것을 알 수 있었으며, 그림 5에서의 전류밀도에 따른 그래프에서도 전류밀도 증가에 따라 Ag 의 조성이 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 실제 솔더범프를 제작하기 위해 1 : 1의 종횡비와 Cu 씨드층을 갖는 PR패턴을 제작하여 SnAg 합금도금을 실시하고, reflow 공정은 수소환원 분위 기하에서 240℃, 90 sec간 진행하였다. 도금층의 관찰은 EBSD 및 EDS가 부착된 FE-SEM (InspectF 50)에서 진행되었다.
- 상용도금액 외에도 문헌을 참고하여 표 1에 나타낸 화학조성을 갖는 도금액을 제작하여 평가하였다5-7) . 도금액 구성을 간단히 살펴보면, 메탄술폰산 (methane sulfonic acid)을 기본 전해질로 사용하였으며, Ag 및 Sn 이온공급을 위해 AgMSA, Sn(MSA)2를 사용하였다.
- 앞서 그림 1의 결과와 마찬가지로 전류밀도에 따라 표면형상이 미세해지는 것을 알 수 있었으며, 그림 5에서의 전류밀도에 따른 그래프에서도 전류밀도 증가에 따라 Ag 의 조성이 감소하는 것을 알 수 있었다. 상용도금액을 이용하여 Cu 씨드층 상의 PR 패턴을 갖는 시료에 Cu 및 SnAg 도금을 단계적으로 실시하여 solder bump 구조로 도금을 진행하였다. 여기서 SnAg는 전류밀도 50 mA/cm2 , 두께는 30 µm로 진행하였으며 Ag 조성이 평균 2 ~ 3 wt% 정도인 것을 알 수 있었다.
- 패턴이 없는 평판시료의 경우 전류밀도에 따른 SnAg 도금층의 표면형상 및 Ag 농도, 도금액 방치시간에 따른 시효변화를 측정하기 위해 산화막이 형성되지 않는 Au 씨드층을 100 nm 두께로 증착된 기판을 사용하였다. 실제 솔더범프를 제작하기 위해 1 : 1의 종횡비와 Cu 씨드층을 갖는 PR패턴을 제작하여 SnAg 합금도금을 실시하고, reflow 공정은 수소환원 분위 기하에서 240℃, 90 sec간 진행하였다. 도금층의 관찰은 EBSD 및 EDS가 부착된 FE-SEM (InspectF 50)에서 진행되었다.
- 자체 제작한 SnAg 도금용액을 바탕으로 전류밀도에 따른 표면형상 및 Ag 조성변화를 측정하였다. 전류밀도 증가에 따라 Ag 조성이 감소하고 50 mA/cm2 이상의 전류조건에서 Ag 3 wt% 이하로 나타났으며 표면형상도 균일한 것으로 나타났다.
대상 데이터
- . 도금액 구성을 간단히 살펴보면, 메탄술폰산 (methane sulfonic acid)을 기본 전해질로 사용하였으며, Ag 및 Sn 이온공급을 위해 AgMSA, Sn(MSA)2를 사용하였다. 특히 Sn2+ 이온에서 Sn4+로의 환원을 방지하기 위해 산화방지제인 하이드로퀴논(hydroquinone, C6H4(OH)2)을 사용하였으며, 환원전위 차이가 큰 Sn2+ 이온에 의해 Ag+ 이온이 환원되는 것을 억제하기 위해 Ag+ 안정화제로 HEAT(1-Allyl-3-(2-Hydroxyethyl)-2-Thiourea, C6H12N2 OS)를 사용하였다.
- 시편은 패턴이 없는 평판시료와 범프를 제작하기 위한 패턴시료의 두 종류를 사용하였다. 패턴이 없는 평판시료의 경우 전류밀도에 따른 SnAg 도금층의 표면형상 및 Ag 농도, 도금액 방치시간에 따른 시효변화를 측정하기 위해 산화막이 형성되지 않는 Au 씨드층을 100 nm 두께로 증착된 기판을 사용하였다.
- 도금액 구성을 간단히 살펴보면, 메탄술폰산 (methane sulfonic acid)을 기본 전해질로 사용하였으며, Ag 및 Sn 이온공급을 위해 AgMSA, Sn(MSA)2를 사용하였다. 특히 Sn2+ 이온에서 Sn4+로의 환원을 방지하기 위해 산화방지제인 하이드로퀴논(hydroquinone, C6H4(OH)2)을 사용하였으며, 환원전위 차이가 큰 Sn2+ 이온에 의해 Ag+ 이온이 환원되는 것을 억제하기 위해 Ag+ 안정화제로 HEAT(1-Allyl-3-(2-Hydroxyethyl)-2-Thiourea, C6H12N2 OS)를 사용하였다.
- 시편은 패턴이 없는 평판시료와 범프를 제작하기 위한 패턴시료의 두 종류를 사용하였다. 패턴이 없는 평판시료의 경우 전류밀도에 따른 SnAg 도금층의 표면형상 및 Ag 농도, 도금액 방치시간에 따른 시효변화를 측정하기 위해 산화막이 형성되지 않는 Au 씨드층을 100 nm 두께로 증착된 기판을 사용하였다. 실제 솔더범프를 제작하기 위해 1 : 1의 종횡비와 Cu 씨드층을 갖는 PR패턴을 제작하여 SnAg 합금도금을 실시하고, reflow 공정은 수소환원 분위 기하에서 240℃, 90 sec간 진행하였다.
데이터처리
- Cu 필라 솔더 범프의 reflow 열처리를 통해서 형성 되는 화합물 및 범프층의 미세조직 구조를 측정하기 위해 EBSD (electron backscattered diffraction) 분석을 실시하여 관찰결과를 그림 7에 나타내었다11). Reflow 는 240oC, 90 sec간 실시되었으며, 횟수에 따른 미세조직 변화를 관찰하기 위해 reflow 열처리를 1, 3, 5회 실시한 후에 단면 분석을 실시하였다.
성능/효과
- Reflow 는 240oC, 90 sec간 실시되었으며, 횟수에 따른 미세조직 변화를 관찰하기 위해 reflow 열처리를 1, 3, 5회 실시한 후에 단면 분석을 실시하였다. 결과 에서 알 수 있는 바와 같이 하단부의 Cu 필라와 그 상단의 Sn 도금층 간의 열처리를 통해 Cu-Sn 화합물이 형성된 것을 알 수 있었다. Cu 필라와 만나는 부분에서는 Cu3Sn 화합물이 판상으로 형성되고 반면에 Cu6Sn5 화합물은 Cu3Sn 화합물층 위에 형성 되는 것을 알 수 있으며, Sn상으로 scallop형태로 성장된 것을 알 수 있다.
- 전류밀도 증가에 따라 Ag 조성이 감소하고 50 mA/cm2 이상의 전류조건에서 Ag 3 wt% 이하로 나타났으며 표면형상도 균일한 것으로 나타났다. 상용도금액을 사용하여 제작한 Cu 필라 범프에서 reflow 조건에 따른 미세조직 변화를 EBSD로 관찰하였으며, reflow 열처리 횟수의 증가에 따라 결정립이 미세화되는 것을 알 수 있었다.
- 실제 SnAg 실험을 진행하면서 Ag의 안정화 문제로 Ag 이온의 양을 증가시키고 안정화제인 HEAT 를 증가시키는 실험을 실시하였으나, 단순히 농도를 증가시키는 것으로는 Ag 이온의 환원문제를 극복하기 어려웠다. 실제 동일 전류밀도 조건에서 전착시켜도 박막층의 Ag의 조성이 시간에 따라 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 그림 3에서는 표 1에 제시된 기준농도 대비 2배 농도의 AgMSA 및 HEAT를 첨가하여 80 mA/cm2 조건에서 도금을 실시하여 시간에 따른 조성을 관찰한 결과를 나타내었으며, 약 하루 경과 후에 조성이 유지되지만 이틀이 지나면 Ag 조성이 0.
- 그림 2는 EDS 분석을 통해 각 도금막의 조성을 측정한 결과이다. 저전류 구간에서 Ag 조성이 평균 45% 정도로 높은 것을 알 수 있으며, 상대적으로 고전류인 50 mA/cm2 이상의 조건에서 3% 이하의 양호한 Ag를 함유한 박막층이 얻어졌다. SnAg 열역학적 상태도를 참조하면 232 ℃, 3.
- 자체 제작한 SnAg 도금용액을 바탕으로 전류밀도에 따른 표면형상 및 Ag 조성변화를 측정하였다. 전류밀도 증가에 따라 Ag 조성이 감소하고 50 mA/cm2 이상의 전류조건에서 Ag 3 wt% 이하로 나타났으며 표면형상도 균일한 것으로 나타났다. 상용도금액을 사용하여 제작한 Cu 필라 범프에서 reflow 조건에 따른 미세조직 변화를 EBSD로 관찰하였으며, reflow 열처리 횟수의 증가에 따라 결정립이 미세화되는 것을 알 수 있었다.
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