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문제 정의
- 하지만, 이러한 thin ENEPIG 표면처리는 신기술로 아직까지 다양한 신뢰성 측정 결과가 축적되지 못한 실정이며, 필드 경험이 부족한 단점을 가지고 있다. 따라서,본 연구에서는 기초 연구로서 미세피치 패키지 적용을 위한 thin ENEPIG 도금층의 솔더링 특성, 계면반응 및 접합부 기계적 신뢰성 평가를 수행하였다. 먼저, SAC305솔더합금에 대한 thin ENEPIG 도금층의 젖음 특성이 평가되었으며, 순차적인 솔더와의 반응에 대한 계면반응 및 접합부 계면에 형성된 IMC 상의 분석이 수행되었다.
- 하지만, 이러한 thin ENEPIG 표면처리는 신기술로 아직까지 다양한 신뢰성 측정 결과가 축적되지 못한 실정이며, 필드 경험이 부족한 단점을 가지고 있다. 따라서,본 연구에서는 기초 연구로서 미세피치 패키지 적용을 위한 thin ENEPIG 도금층의 솔더링 특성, 계면반응 및 접합부 기계적 신뢰성 평가를 수행하였다. 먼저, SAC305솔더합금에 대한 thin ENEPIG 도금층의 젖음 특성이 평가되었으며, 순차적인 솔더와의 반응에 대한 계면반응 및 접합부 계면에 형성된 IMC 상의 분석이 수행되었다.
- 본 연구에서는 미세피치 패키지 적용을 위한 thinENEPIG 도금층의 솔더링 특성, 계면반응 및 접합부 기계적 신뢰성 평가가 수행되었다. 먼저, SAC305 솔더합금에 대한 thin ENEPIG 도금층의 젖음 특성이 평가되었으며, 순차적인 솔더와의 반응에 대한 계면반응 및 접합부계면에 형성된 IMC 상의 분석이 수행되었다.
- 이러한 젖음성 시험에 있어서 침지시간 변화에 따른 최대 젖음력의 변화 원인으로는 서로 다른 침지 시간 동안에 thin ENEPIG 도금층에 있어서의 Au,Pd, Ni 층의 순차적인 소모 및 기저의 Cu 층과 SAC305 솔더와의 서로 다른 반응 정도의 차이 때문인 것으로 사료된다. 이에 관해서는 젖음성 시편 계면의 미세구조 관찰결과(Fig. 5)에서 더욱 자세하게 서술하고자 한다. 반면, 젖음 시간은 침지시간의 변화에 따라 크게 변화하지 않았으며, 전반적으로 약 0.
제안 방법
- Thin ENEPIG 도금 공정 수행 후 도금 층의 단면을 관찰하기 위하여 FIB 밀링 공정이 수행되었으며, 그 결과가 Fig. 3에 보여 졌다. 그림에서 보는 바와 같이, Cu 기판상에 Ni, Pd 및 Au가 균일하게 도금층을 형성하였음을 확인할 수 있었으며, 이들 층 내부 및 층간 계면에는 어떠한 결함도 포함하고 있지 않음을 확인할 수 있었다.
- Thin ENEPIG 도금 처리된 기판의 기계적 신뢰성을 평가하기 위해, BGA(Ball grid array) 패키지를 이용하여 고속 전단 시험(High speed shear test)이 수행되었다. 본 실험에 사용된 PCB 기판은 solder mask defined(SMD) 타입의 flame retardant 4(FR-4) PCB였다.
- Thin ENEPIG 도금 처리된 기판의 기계적 신뢰성을 평가하기 위해, 리플로우 공정을 수행한 후 BGA 패키지를 제작하였다. Fig.
- 젖음 시간은 1, 2, 3, 5, 7, 10초로 나누어 수행되었으며, 각각의 조건에서 총 10개의 시편이 시험되었고, 그 평균값이 보고되었다. Thin ENEPIG 도금층의 젖음 특성을 평가하기 위해서 최대 젖음력(maximum wetting force,Fmax)과 최초 젖음시간(zero-cross time, Tzero)이 평가되었다. 젖음성 시험 동안에 SAC305솔더와 thin ENEPIG 도금 처리된 Cu 기판과의 계면 반응을 관찰하기 위해서, 젖음시간의 변화에 따른 젖음성 시편의 단면이 관찰되었다.
- 도금 공정 수행 후 도금 층의 단면 및 두께를 측정하기 위하여 Focused Ion Beam(FIB) 밀링 공정이 수행되었다. Thin ENEPIG 층의 젖음 특성을 평가하기 위해 솔더 젖음성 시험이 수행되었다. 먼저, Cu 젖음성 시험시편(10×3×0.
- 사용된 고속 전단 시험 장비는 Dage사 4000HS 장비였으며, 전단높이는 50 µm 였다. 고속 전단 속도에 따른 시편의 취성파괴율(Percentage of brittle fracture)을 관찰하기 위해, 0.5,1.0, 그리고 2.0 m/s의 서로 다른 전단 속도가 사용되었다. 총 20개 솔더볼에 대한 고속 전단 강도 시험이 수행되었다.
- 05 µm였다. 도금 공정 수행 후 도금 층의 단면 및 두께를 측정하기 위하여 Focused Ion Beam(FIB) 밀링 공정이 수행되었다. Thin ENEPIG 층의 젖음 특성을 평가하기 위해 솔더 젖음성 시험이 수행되었다.
- 먼저, 일반적으로 수행되는 야금학적인 시편 준비 과정인 연마 및 에칭 공정이 수행되었으며, 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM, FEI Inspect F)을 통해 접합부의 단면을 관찰하였다. 또한 EDX(energy-dispersiveX-ray spectroscopy) 분석을 통해 접합부 계면에 형성된 금속간 화합물(intermetallic compound, IMC)의 성분을 분석하였다.
- 먼저, SAC305솔더합금에 대한 thin ENEPIG 도금층의 젖음 특성이 평가되었으며, 순차적인 솔더와의 반응에 대한 계면반응 및 접합부 계면에 형성된 IMC 상의 분석이 수행되었다. 또한, 솔더볼 접합 후 고속 전단 시험의 수행을 통한 접합부 기계적 신뢰성이 평가되었다.
- 먼저, SAC305 솔더합금에 대한 thin ENEPIG 도금층의 젖음 특성이 평가되었으며, 순차적인 솔더와의 반응에 대한 계면반응 및 접합부계면에 형성된 IMC 상의 분석이 수행되었다. 또한, 솔더볼 접합 후 고속 전단 시험의 수행을 통한 접합부 기계적 신뢰성이 평가되었으며 다음과 같은 결론이 얻어졌다.
- 2에 보여진 리플로우 온도 프로파일을 따라서 리플로우 장비(Heller, 1890UL)에서 접합 공정이 수행되었다. 리플로우공정 후에는 시편이 실온까지 냉각되었으며, 기계적 신뢰성 평가를 위해 고속 전단 시험이 수행되었다. 사용된 고속 전단 시험 장비는 Dage사 4000HS 장비였으며, 전단높이는 50 µm 였다.
- 따라서,본 연구에서는 기초 연구로서 미세피치 패키지 적용을 위한 thin ENEPIG 도금층의 솔더링 특성, 계면반응 및 접합부 기계적 신뢰성 평가를 수행하였다. 먼저, SAC305솔더합금에 대한 thin ENEPIG 도금층의 젖음 특성이 평가되었으며, 순차적인 솔더와의 반응에 대한 계면반응 및 접합부 계면에 형성된 IMC 상의 분석이 수행되었다. 또한, 솔더볼 접합 후 고속 전단 시험의 수행을 통한 접합부 기계적 신뢰성이 평가되었다.
- 따라서,본 연구에서는 기초 연구로서 미세피치 패키지 적용을 위한 thin ENEPIG 도금층의 솔더링 특성, 계면반응 및 접합부 기계적 신뢰성 평가를 수행하였다. 먼저, SAC305솔더합금에 대한 thin ENEPIG 도금층의 젖음 특성이 평가되었으며, 순차적인 솔더와의 반응에 대한 계면반응 및 접합부 계면에 형성된 IMC 상의 분석이 수행되었다. 또한, 솔더볼 접합 후 고속 전단 시험의 수행을 통한 접합부 기계적 신뢰성이 평가되었다.
- 젖음성 시험 동안에 SAC305솔더와 thin ENEPIG 도금 처리된 Cu 기판과의 계면 반응을 관찰하기 위해서, 젖음시간의 변화에 따른 젖음성 시편의 단면이 관찰되었다. 먼저, 일반적으로 수행되는 야금학적인 시편 준비 과정인 연마 및 에칭 공정이 수행되었으며, 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM, FEI Inspect F)을 통해 접합부의 단면을 관찰하였다. 또한 EDX(energy-dispersiveX-ray spectroscopy) 분석을 통해 접합부 계면에 형성된 금속간 화합물(intermetallic compound, IMC)의 성분을 분석하였다.
- 서로 다른 젖음성 시험 시간 동안 발생한 최대 젖음력의 변화 원인 및 thin ENEPIG 도금 층과 SAC305 솔더와의 순차적인 계면반응을 분석하기 위하여, 젖음성 시편의 단면이 SEM으로 분석되었으며, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig.
- 총 20개 솔더볼에 대한 고속 전단 강도 시험이 수행되었다. 솔더 접합부의 고속 전단 시험 후에 파면이 SEM과EDX로 분석되었으며, 파단면을 연성 파괴(ductile fracture)와 취성 파괴(brittle fracture)로 구분한 후 취성 파괴율이 측정되었다.
- 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 전단 속도가 증가함에 따라 계면 파괴 비율이 증가함을 알 수 있다. 우리는 취성파괴 부분에서 계면 금속간화합물의 존재를 확인하였다. 이들 파면 분석 결과가 Fig.
- 제작된 BGA 패키지의 기계적 신뢰성 평가를 위해50 µm의 전단높이, 0.5, 1.0, 그리고 2.0 m/s의 전단 속도 하에서 고속 전단 시험이 수행되었으며, 각 조건에 따른취성 파괴율이 측정되었다.
- 0 m/s의 서로 다른 전단 속도가 사용되었다. 총 20개 솔더볼에 대한 고속 전단 강도 시험이 수행되었다. 솔더 접합부의 고속 전단 시험 후에 파면이 SEM과EDX로 분석되었으며, 파단면을 연성 파괴(ductile fracture)와 취성 파괴(brittle fracture)로 구분한 후 취성 파괴율이 측정되었다.
대상 데이터
- PCB의 Cu 패드 직경은 300 µm 였으며, 이 Cu 패드 상에 상기에서 언급한 두께의 thin ENEPIG 도금 공정이 수행되었다.
- 먼저, Cu 젖음성 시험시편(10×3×0.3 mm3) 상에 상기에서 언급한 두께의 thin ENEPIG 도금 공정이 수행되었다.
- Thin ENEPIG 도금 처리된 기판의 기계적 신뢰성을 평가하기 위해, BGA(Ball grid array) 패키지를 이용하여 고속 전단 시험(High speed shear test)이 수행되었다. 본 실험에 사용된 PCB 기판은 solder mask defined(SMD) 타입의 flame retardant 4(FR-4) PCB였다. PCB의 Cu 패드 직경은 300 µm 였으며, 이 Cu 패드 상에 상기에서 언급한 두께의 thin ENEPIG 도금 공정이 수행되었다.
- 본 실험에서 사용된 thin ENEPIG 표면처리는 상용의 표면처리 약품을 사용하여 도금 공정이 수행 되었으며,그 두께는 Ni, Pd 및 Au가 각각 약 0.15, 0.05, 그리고 0.05 µm였다.
- 사용된 고속 전단 시험 장비는 Dage사 4000HS 장비였으며, 전단높이는 50 µm 였다.
- 1에 본 연구에 사용된 젖음성 시험 시편 및 thin ENEPIG 도금층의 모식도를 나타내었다. 젖음성 시험 장비(wetting balance tester)는 MALCOM사의 SP2 장비가 사용되었으며, 젖음성 시험에 사용된 솔더 합금은 현재 가장 널리 사용되는 무연솔더 합금인 Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305) 합금이 사용되었다. 젖음성 시험 온도는 260oC에서 수행되었으며, 젖음성 시험편의 침지 속도와 침지 깊이는 각각 5 mm/s와 5 mm였다.
성능/효과
- - 서로 다른 전단 속도 하에서의 고속 전단 시험 결과, 전단속도가 증가함에 따라 취성파괴율이 증가하였다. 0.
- 4는 260oC에서 SAC305 솔더와 thin ENEPIG 표면처리 된 Cu 쿠폰을 이용한 젖음성 시험 결과를 보여준다. 젖음성 시험 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 젖음성 시험 동안 침지 시간이 증가함에 따라 최대 젖음력은 증가하였으며, 일정 시간 이후에는 최대 젖음력이 일정하게 유지되었다. 즉, 1초에서 5초까지의 침지 시간이 증가함에 따라 최대 젖음력은 1.
- 전반적으로 전단속도가 증가함에 따라 취성파괴율이 증가하는 경향을 보였다. 0.5 m/s 전단 속도의 경우, 취성파괴율은 약 30%이었으며, 1.0과 2.0 m/s의 전단 속도의 경우 취성파괴율은 각각 약 65%와 70%를 나타내었다. Fig.
- - 서로 다른 전단 속도 하에서의 고속 전단 시험 결과, 전단속도가 증가함에 따라 취성파괴율이 증가하였다. 0.5 m/s전단 속도에서 취성파괴율은 약 30%이었으나, 2.0 m/s로전단 속도가 증가할 경우 약 70%까지 취성파괴율이 증가하였다.
- 6은 1초 동안 반응한 SAC305/ENEPIG 계면의 SEM 단면 관찰 사진 및 EDX 조성 분석결과를 보여준다. EDX 조성 분석 결과, 계면에 형성된IMC는 (Cu,Ni)6Sn5 금속간화합물임을 확인할 수 있었다.이 금속간화합물 층 내의 Cu 함량은 약 40~43 at.
- 7에 10초 동안 반응한SAC305/ENEPIG 계면의 SEM 단면 관찰 사진 및 EDX 조성 분석 결과를 나타내었다. EDX 조성 분석 결과로부터,(Cu,Ni)6Sn5와 (Cu,Ni)3Sn 층의 존재를 확인할 수 있었으며,또한 가운데 검은색 층은 P를 포함하고 있음을 확인하였다. Ho와 Yoon은 선행문헌에서 이러한 가운데 검은색 층이 Ni2SnP 층으로 보고하였다.
- 3에 보여 졌다. 그림에서 보는 바와 같이, Cu 기판상에 Ni, Pd 및 Au가 균일하게 도금층을 형성하였음을 확인할 수 있었으며, 이들 층 내부 및 층간 계면에는 어떠한 결함도 포함하고 있지 않음을 확인할 수 있었다.
- 반응 시간이 증가함에 따라 이러한 현상은 더욱 두드러지게 나타났으며, 계면구조가 울퉁불퉁한 모양을 나타내었다. 더욱 세부적인 관찰 및 분석 결과, 이러한 P-rich Ni 층의 파괴 부분 아래에는 Cu-rich 화합물인 (Cu,Ni)3Sn 금속간화합물이 생성되었음을 확인할 수 있었다. 반응 시간이 10초까지 증가함에 따라 이러한 현상은 더욱 현저하게 나타났다.
- %였다. 또한, 계면 IMC 층과Cu 기판 사이에서 얇은 검은색 층의 존재를 확인할 수 있었다. 비록 이 층의 두께가 너무 얇기 때문에 정확한 조성분석은 힘들지만, 아마도 무전해 Ni 기판과의 계면반응에서 나타나는 P-rich Ni 층으로 사료된다.
- 8에서 보는 바와 같이, 솔더 접합부계면에서 두 가지 금속간화합물 층이 관찰되었다. 먼저, 계면에 주로 형성된 금속간화합물 층은 일반적인 Cu 기판에서 주로 형성되는 조가비(scallop) 모양의 Cu6Sn5 금속간화합물이 관찰되었다. 그 Cu6Sn5 금속간화합물 층 위에 상대적으로 얇고 불연속적인 (Ni,Cu)3Sn4 금속간화합물이 관찰되었다.
- 그 Cu6Sn5 금속간화합물 층 위에 상대적으로 얇고 불연속적인 (Ni,Cu)3Sn4 금속간화합물이 관찰되었다. 이로 미루어 보아, 솔더링 반응 동안 먼저SAC305 솔더와 ENEPIG와의 반응으로인해 (Cu,Ni)6Sn5화합물이 만들어지며, 계속되는 고상/액상 반응으로 인해(Cu,Ni)6Sn5 화합물이 (Ni,Cu)3Sn4 화합물로 변화됨을 유추할 수 있었다. 그리고 이 때 생성된 (Ni,Cu)3Sn4 화합물층은 계속되는 솔더링반응으로 인해 더 이상 계면에 붙어 있지 못하고 계면으로부터 떨어지게 되며, 액상의SAC305솔더와 Cu 기판과의 반응으로 인해 계면에는 Cu6Sn5 금속간화합물이 생성되었다.
- 9는 전단속도 변화에 따른 BGA 패키지의 취성파괴율의 변화를 보여준다. 전반적으로 전단속도가 증가함에 따라 취성파괴율이 증가하는 경향을 보였다. 0.
- 4는 260oC에서 SAC305 솔더와 thin ENEPIG 표면처리 된 Cu 쿠폰을 이용한 젖음성 시험 결과를 보여준다. 젖음성 시험 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 젖음성 시험 동안 침지 시간이 증가함에 따라 최대 젖음력은 증가하였으며, 일정 시간 이후에는 최대 젖음력이 일정하게 유지되었다. 즉, 1초에서 5초까지의 침지 시간이 증가함에 따라 최대 젖음력은 1.
- 젖음성 시험 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 젖음성 시험 동안 침지 시간이 증가함에 따라 최대 젖음력은 증가하였으며, 일정 시간 이후에는 최대 젖음력이 일정하게 유지되었다. 즉, 1초에서 5초까지의 침지 시간이 증가함에 따라 최대 젖음력은 1.6 mN에서 2.6 mN으로 증가하였으며, 5초 이후에는 더 이상 증가하지 않고 일정한 젖음력을 나타내었다. 이러한 젖음성 시험에 있어서 침지시간 변화에 따른 최대 젖음력의 변화 원인으로는 서로 다른 침지 시간 동안에 thin ENEPIG 도금층에 있어서의 Au,Pd, Ni 층의 순차적인 소모 및 기저의 Cu 층과 SAC305 솔더와의 서로 다른 반응 정도의 차이 때문인 것으로 사료된다.
- 또한, 우리는 (Cu,Ni)6Sn5와 (Cu,Ni)3Sn 층 사이에서 검은색 층의 존재를 여전히 확인할 수 있었다. 하지만, 이들 검은색 층들이 초기의 직선의 연속적인 층들의 존재와는 달리 다소 불연속적이며 많은 요철 형상으로 변화되었음을 확인할 수 있었다. Fig.
후속연구
- - 향후, 보다 광범위한 thin ENEPIG 표면처리의 적용확대를 위해서는 보다 다양한 미세 피치 패키지 부품에 있어서 야금학적, 전기적, 기계적 신뢰성 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- Ho와 Yoon은 선행문헌에서 이러한 가운데 검은색 층이 Ni2SnP 층으로 보고하였다. 11,13) 하지만, 본 연구에서는 이 층의 존재는 확인할 수 있었지만 얇은 층의 두께로 인해 정확한 조성 분석은 불가능하였으며, 이 층의 정확한 분석을 위해서는 TEM 등의 추가적인 분석이 필요하다.
- thin ENEPIG 표면처리는 향후 미세피치 패키지의 적용에 있어서, 솔더링 뿐만 아니라 wire bonding과의 우수한상합성, 양호한 내열성 및 도금 밀착성, 그리고 낮은 공정가격을 가지는 장점으로 인해 그 채용이 크게 증가할 것으로 예상된다. 따라서 본 연구에서는 기초 연구로서 미세피치 패키지 적용을 위한 thin ENEPIG 도금층의 솔더링 특성, 계면반응 및 접합부 기계적 신뢰성 평가를 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 기초 연구로서 미세피치 패키지 적용을 위한 thin ENEPIG 도금층의 솔더링 특성, 계면반응 및 접합부 기계적 신뢰성 평가를 수행하였다. 향후, 보다 광범위한 미세피치 패키지에 thinENEPIG 표면처리가 적용되기 위해서는 보다 다양한 사이즈 및 부품에 thin ENEPIG가 적용되어 야금학적, 전기적, 기계적 신뢰성에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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