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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 다양한 Cu 함량의 솔더볼을 사용하여 무연솔더와 Ni pad간의 계면 반응을 통해 High Cu의 거동을 체계적으로 연구하였다.
제안 방법
- BGA 기판 표면은 각각 Electroless Ni electroless Pd immersion Au (이하 ENEPIG), Electrolytic Ni/Au(이하 Ni/Au)로 처리를 하였고, SR open size가 500 µm, pitch 간격이 2 mm이다.
- 리플로우 후에 에폭시 수지를 사용하여 시편을 마운팅한 후에 연마지와 알루미나 파우더를 사용하여 경면을 만들어서 솔더 접합부의 단면을 관찰하였다. 명확한 금속간 화합물과 Ni3P layer의 두께를 관찰하기 위해 주석 에칭액을 사용하여 에칭을 하였고, 에칭액의 조성은 95 vol% C2H5OH, 4 vol% HNO3, 그리고 1 vol% HCl이다.
- 명확한 금속간 화합물과 Ni3P layer의 두께를 관찰하기 위해 주석 에칭액을 사용하여 에칭을 하였고, 에칭액의 조성은 95 vol% C2H5OH, 4 vol% HNO3, 그리고 1 vol% HCl이다. 에칭 후 전계방출주사현미경(FE-SEM: Field Emission Scanning Electron Microscope)과 EDS(Energy-dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 하였다. 또한 정확한 Ni3P layer 의 두께를 비교하기 위하여 TEM(Transmission electron microscope) 분석을 진행하였다.
- 에칭 후 전계방출주사현미경(FE-SEM: Field Emission Scanning Electron Microscope)과 EDS(Energy-dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 하였다. 또한 정확한 Ni3P layer 의 두께를 비교하기 위하여 TEM(Transmission electron microscope) 분석을 진행하였다.
- Cu 함량에 따라 솔더 접합부의 기계적 강도의 변화를 알아보기 위해 솔더 접합부의 전단시험을 실시하였고, 시험 방법은 JEDEC 규격 (JESD22-B117)에 따라 수행하였으며, 전단 속도와 높이는 각각 0.3 mm/s, 20 µm로 고정 하였다.
- Cu 함량에 따른 낙하 충격강도를 측정하기 위해 각각 4 boards씩 시편을 제조하여 1500±10%G, 0.5 mm/s 로 평가하였고(JESD22-B111), 이상점이 나올 수 있는 모서리 부분의 6 units은 분석 시 제외 하였다.
- 4는 Cu함량에 따른 솔더와 Ni 금속층과의 전단강도를 측정한 값이다. 본 연구에서는 총 20개의 pad 중에서 10개의 솔더 접합부의 평균값을 측정하였다.
- 7에 나타내었다. 계면파괴의 정확한 원인을 분석하기 위하여 EDS line 분석을 하였고, Fig. 8에 나타내었다.
- 0Cu solder가 낙하 충격시험에서 가장 좋은 특성을 보이고 있다. (Ni,Cu)3Sn4금속간 화합물과 Ni3P layer의 정확한 비교를 위해 TEM 분석을 진행하였으며, Fig. 9에 나타내었다.
- 5Cu 솔더보다 상대적으로 (Ni,Cu)3Sn4 금속간 화합물과 Ni3P layer의 두께가 제어됐음을 알 수 있다. 이는 기 언급한 바와 같이, (Cu,Ni)6Sn5의 금속간 화합물의 형성이 (Ni,Cu)3Sn4의 금속간 화합물보다 반응이 빨리 일어나며, (Cu,Ni)6Sn5의 금속간 화합물을 형성하는데 충분한 Cu의 source로 작용하여 Ni의 확산을 억제시킴으로써 신뢰성에 취약한 (Ni,Cu)3Sn4 금속간 화합물과 Ni3P layer의 생성속도를 제어하였다. 따라서 낙하충격과 같은 고 신뢰성이 요구되는 시편에서는 Cu 함량이 높은 솔더가 유리할 것으로 판단된다.
- 0Cu 솔더가 낙하충격시험에서 가장 좋은 특성을 보였다. 이는 (Cu,Ni)6Sn5의 금속간 화합물을 형성하는데 충분한 Cu의 source로 작용하여 Ni의 확산을 억제시킴으로써 신뢰성에 취약한 (Ni,Cu)3Sn4 금속간 화합물과 Ni3P layer의 생성속도를 제어하였다. 따라서 낙하충격과 같은 고 신뢰성이 요구되는 시편에서는 Cu 함량이 높은 솔더가 유리할 것으로 판단된다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 솔더볼은 주석-은-구리 3원계 합금 솔더로서 은 함량을 낮춘 Sn-1.0Ag-0.5Cu와 Cu함량에 따른 Sn-1.0Ag, Sn-1.0Ag-1.0Cu, Sn-1.0Ag-1.5Cu 솔더 이며, 이때 사용된 솔더볼의 직경은 450 µm이다.
- 리플로우 후에 에폭시 수지를 사용하여 시편을 마운팅한 후에 연마지와 알루미나 파우더를 사용하여 경면을 만들어서 솔더 접합부의 단면을 관찰하였다. 명확한 금속간 화합물과 Ni3P layer의 두께를 관찰하기 위해 주석 에칭액을 사용하여 에칭을 하였고, 에칭액의 조성은 95 vol% C2H5OH, 4 vol% HNO3, 그리고 1 vol% HCl이다. 에칭 후 전계방출주사현미경(FE-SEM: Field Emission Scanning Electron Microscope)과 EDS(Energy-dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 하였다.
성능/효과
- 20) 금속간 화합물의 성분을 알아보기 위해 EDS로 분석을 하였고, 그 결과를 Table 2에 나타내었다. EDS 분석 data로 화학양론적으로 계산한 결과, Cu가 없는 솔더에서는 Ni3Sn4 금속간 화합물을 형성하고 있었으며, Cu가 포함된 솔더에서는 Cu6Sn5에 Ni이 치환된 (Cu,Ni)6Sn5의 금속간 화합물을 형성하고 있었다. Cu 함량이 증가할수록 상대적으로 많은 Cu함량이 관찰되었으며, 전형적인 6방 정계 구조를 가지고 있었다.
- EDS 분석 data로 화학양론적으로 계산한 결과, Cu가 없는 솔더에서는 Ni3Sn4 금속간 화합물을 형성하고 있었으며, Cu가 포함된 솔더에서는 Cu6Sn5에 Ni이 치환된 (Cu,Ni)6Sn5의 금속간 화합물을 형성하고 있었다. Cu 함량이 증가할수록 상대적으로 많은 Cu함량이 관찰되었으며, 전형적인 6방 정계 구조를 가지고 있었다. 또한 Cu 함량이 1.
- Cu 함량이 증가할수록 상대적으로 많은 Cu함량이 관찰되었으며, 전형적인 6방 정계 구조를 가지고 있었다. 또한 Cu 함량이 1.0 wt% 이상의 솔더에서는 6방정계의 구조가 부드러웠으며, 리플로우 공정상에서 Cu6Sn5 조성의 금속간 화합물이 형성되는 속도는 증가한다. 따라서 Cu와 Ni이 치환되기 위한 시간적인 요소가 충족해지며, (Cu,Ni)6Sn5 금속간 화합물층과 벌크솔더 사이의 열팽창계수 차이로 인해 벌크 솔더에 압축응력이 작용하게 되며, 많은 침상 형태의 금속간 화합물을 형성한 것으로 판단된다.
- 21) Sn의 Prich Ni-layer로 빠르게 확산됨으로써 P-rich Ni-layer 부근에 Kirkendall void들이 분포하게 되며, 이로 인해 P-rich Ni-layer는 매우 취약한 층으로 알려져 있다.21) 무전해 Ni 위에서 Ni3Sn4 금속간 화합물은 초기에 바늘모양으로 형성되었다가 덩어리 형태로 변하는 반면, Cu-Ni-Sn 삼성 분계 화합물들은 layer-type으로 형성된다. 이러한 layer type의 금속간 화합물들은 확산방지막으로 작용하여 솔더와 무전해 Ni의 반응을 효과적으로 줄여준다.
- 즉 솔더내의 높은 Cu 함량이(Ni,Cu)3Sn4 금속간 화합물의 생성을 늦추어 Ni-P layer의 적은 Ni이 Cu-Ni-Sn 금속간 화합물 형성 반응에 참여했고, 이로 인해 P-rich Ni-layer가 얇게 형성된 것이다. 따라서 ENEPIG와 반응 시, 솔더내의 Cu 함유량이 Ni-P layer 의 Ni 소모량을 최소화 하여 Ni의 확산을 억제시킴으로서 P-rich Ni layer의 성장을 제어한 것으로 판단된다.
- Cu함량이 증가할수록 전단강도의 값이 증가하는 경향을 보이고 있었다. 이는 솔더 내부에 형성되는 bulky IMC 들이 crack의 전파를 방해했기 때문인 것으로 사료된다.
- 전단 시험 동안 순수 계면 응력이 계면 결합 강도보다 낮으면 솔더 내부에서 파괴가 일어나고, 금속간 화합물 층이 순수 계면강도보다 낮으면 접합부 계면에서 파괴가 일어난다. 본 연구에서는 금속간 화합물의 spalling이 일어나고 P-rich Ni-layer층이 두껍게 성장한 Sn-1.0Ag 솔더에서만 취성파괴가 발생하였고, 나머지 솔더에서는 연성 파괴만 관찰되었다.
- 5에 나타내었다. Cu 함량이 없는 솔더의 경우, 가장 취약한 낙하충격강도를 가지고 있었으며, Cu 함량이 증가할수록 낙하충격강도가 증가하였다. 그러나 과도하게 포함된 Cu의 경우, 낙하충격강도가 떨어졌으며, 이는 Cu의 함량이 고용한계보다 높을 경우, 석출경화를 증가시키는 요인으로 작용하며, 연성 솔더에서의 이런 거동은 낙하충격시험 중 소성변형을 일으키는 동안 많은 에너지의 분산을 방해하는 역할로 작용하기 때문이다.
- 그러나 리플로우 과정에서 UBM 의 Ni은 솔더의 Sn과 반응하게 되고 이로 인해 Ni(P)가 Ni3P를 거쳐 Ni-Sn-P로 상변태가 일어나면서 부피수축이 발생한다.23) Ni3P층은 취약한 성질을 띄고 있으며, 본 실험에서와 같이 내부를 통하여 크랙이 전파되었고, Ni3P의 두께를 제어하는 것이 필요하다.
- (1) 전해Ni pad의 경우, Cu 함량에 따라 형성되는 금속간 화합물의 종류는 달랐으며, Cu 함량이 증가할수록 (Cu,Ni)6Sn5의 금속간 화합물과 벌크솔더 사이의 열팽창 계수 차이로 인해 벌크솔더에 압축응력이 작용하게 되며, 많은 침상 형태의 금속간 화합물을 형성하였다. 무전해 Ni pad의 경우, Cu 함량에 관계없이 P-rich Ni-layer 층이 관찰되었으며, Cu 함량이 증가할수록 적은 Ni이 Cu-NiSn 금속간 화합물 형성 반응에 참여했고, 이로 인해 Prich Ni-layer층의 두께가 감소하였다.
- (2) Cu 함량이 증가할수록 전단강도의 값은 증가하는 경향을 보였으며, 이는 침상형태의 금속간 화합물들이 다량 존재하여 전체적인 네트워크구조를 형성하였고, 계면에서의 결합면적을 증가시켰기 때문이다.
- (3) 낙하충격시험 결과, Ni pad의 종류에 따라 다른 파괴모드 유형이 관찰되었다. 전해 Ni pad의 경우, crack의 전파가 (Cu,Ni)6Sn5 금속간 화합물과 (Ni,Cu)3Sn4 금속간 화합물의 경계면을 따라 진행되었으며, 무전해 Ni pad의경우, 취약한 P-rich Ni-layer층을 따라 crack이 전파되었다.
- (4) Sn-1.0Ag-1.0Cu 솔더가 낙하충격시험에서 가장 좋은 특성을 보였다. 이는 (Cu,Ni)6Sn5의 금속간 화합물을 형성하는데 충분한 Cu의 source로 작용하여 Ni의 확산을 억제시킴으로써 신뢰성에 취약한 (Ni,Cu)3Sn4 금속간 화합물과 Ni3P layer의 생성속도를 제어하였다.
- 의 금속간 화합물과 벌크솔더 사이의 열팽창 계수 차이로 인해 벌크솔더에 압축응력이 작용하게 되며, 많은 침상 형태의 금속간 화합물을 형성하였다. 무전해 Ni pad의 경우, Cu 함량에 관계없이 P-rich Ni-layer 층이 관찰되었으며, Cu 함량이 증가할수록 적은 Ni이 Cu-NiSn 금속간 화합물 형성 반응에 참여했고, 이로 인해 Prich Ni-layer층의 두께가 감소하였다.
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