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문제 정의
- 본 연구에서는 ENEPIG 표면처리에서 무전해Ni 도금액의 MTO를 변화했을 때, 솔더 접합부의 취성파괴를 고속전단강도 시험을 통해 관찰하였다.
- 본 연구에서는 모바일 제품에서 많이 사용되는 ENEPIG 표면처리 공정 중, 무전해 니켈 도금 공정에서 도금액의 상태에 따른 솔더 접합부의 신뢰성에 대해 살펴보고자 한다. 기존에 발표된 연구 결과에 따르면, 전해 Cu 도금의 경우 많은 연구들이 도금액에 따라 최종 솔더링에 영향을 받는다고 보고되고 있다8-11).
제안 방법
- MTO 변화에 따른 ENEPIG/SAC305 솔더 접합부의 취성파괴거동을 파악하기 위해 고속전단강도를 측정하였고, Fig. 8에 나타내었다. 고속 전단강도는 전단속도가 증가함에 따라 0 MTO와 3 MTO 샘플 모두 감소하였다.
- 고속전단시험 후 파단면을 SEM을 이용하여 확인하였다. Fig.
- 또한, 전단높이의 경우 전체 솔더볼 높이의 25%미만을 권장하고 있어, 전단 툴의 높이는 PSR 표면으로부터 50㎛를 유지하였다. 고속전단시험은 각 조건 별로 25회씩 시험을 진행하였다. 이 때, 전단 속도는 0.
- 고온 시효에 따른 계면 금속간 화합물 (IMC)의 변화를 관찰하기 위해 150℃ 에서 500시간 동안 고온 시효를 실시하였다. 그 후 단면 연마를 수행하고, 주사전자 현미경(SEM, Inspect F, FEI) 으로 솔더 접합부의 계면을 관찰 하였다.
- 고온 시효에 따른 계면 금속간 화합물 (IMC)의 변화를 관찰하기 위해 150℃ 에서 500시간 동안 고온 시효를 실시하였다. 그 후 단면 연마를 수행하고, 주사전자 현미경(SEM, Inspect F, FEI) 으로 솔더 접합부의 계면을 관찰 하였다.
- 5wt%Cu (SAC305) 솔더볼을 마운팅하고 리플로우 하였다. 그 후 솔더 접합부의 계면을 관찰하고, 취성파괴를 분석하였다.
- 무전해 니켈 증착을 위해서는 촉매를 소프트에칭을 실시한 Cu 패드 표면에 형성하였다. 그 후, 무전해 니켈 도금, 무전해 팔라듐 도금, 치환금 도금을 실시하여 니켈 도금층과 금 도금층을 형성 시켰다.
- PCB 표면 처리 전처리는 산탈지, 소프트 에칭, 촉매공정으로 구성되었다. 기판상의 오염물 탈지 및 젖음성을 부여하기 위하여 산탈지 세척을 실시하고, 산세를 실시하여 표면 활성화를 진행하였다. 표면활성화 공정 후에 표면 산화층을 제거하고, 표면 조도를 높여 밀착성을 향상시키기 위해 소프트 에칭을 진행하였다.
- 높은 변형률의 고장모드에서 솔더 접합부의신뢰성을 파악하기 위해 고속전단시험을 통해 취성파괴율을 평가하였다. 고속전단시험은 고속전단시험기(4000HS, Dage)를 이용하였고, 시험은 JEDEC JESD22-B117A 규격에 의거하여 수행하였다12).
- 6에 나타내었다. 리플로우 후 ENEPIG와 SAC305솔더 계면에서는 (Cu,Ni)6Sn5 IMC가 형성되는 것을 관찰하였다. SAC솔더에서는 솔더 내 Cu의 농도가 낮을 경우에는 (Ni,Cu)3Sn4, 높을 경우에는 (Cu,Ni)6Sn5 IMC가 형성되며, Cu 농도가 0.
- 솔더링 공정에 사용된 솔더볼은 450㎛ 크기의 SAC305(ET16E02P, Ducsan Hi-Metal)이었다. 먼저, ENEPIG 표면 처리된 Cu 패드 위에 SAC305 솔더페이스트(M705-SHF, Senju)를 인쇄하였다. SAC305 솔더페이스트의 인쇄조건은 인쇄속도 20mm/sec, 인쇄압력 2 kgf/cm2, 인쇄 각도 45°, 스크린 Gap -0.
- 무전해니켈 도금 시 도금액을 0과 3 MTO로 변화하여 ENEPIG 표면처리를 실시한 후, 표면처리 위에 SAC305 솔더볼을 마운팅 및 리플로우 한 후, 접합부를 SEM으로 관찰하였고, 그 이미지를 Fig. 6에 나타내었다. 리플로우 후 ENEPIG와 SAC305솔더 계면에서는 (Cu,Ni)6Sn5 IMC가 형성되는 것을 관찰하였다.
- 본 연구에서는 ENEPIG 표면처리 층을 형성할 때, 첫 번째 도금 공정인 무전해 니켈 공정에서 도금액을 0과 3 MTO로 변화하여 니켈도금을 진행하였고, 그 후 동일한 조건으로 무전해 팔라듐, 치환금 도금을 진행하였다. 형성된 ENEPIG 표면처리에 Sn-3.
- 일반적인 접합부 파단 모드는 크게 연성파괴, 연성-취성 복합 파괴, 취성파괴의 세 가지 모드로 구분하고 있다13-15). 본 연구에서도 총 25개의 고속전단시험을 거친 샘플의 파단면을 SEM으로 관찰하였고, 연성, 연성-취성 복합, 취성파괴모드의 세 종류로 구분하였다.
- 볼 마운팅용 메탈마스크의 홀 직경은 550㎛ 이었다. 솔더볼 마운팅 후 솔더볼을 접합하기 위해 리플로우 오븐(1809UL, Heller)을 이용하여 피크 온도 250℃에서 50초 간 솔더링을 실시하였다. 리플로우 공정 후 ENEPIG표면처리에 형성된 SAC305솔더볼 샘플의 이미지를 Fig.
- 고속전단시험은 각 조건 별로 25회씩 시험을 진행하였다. 이 때, 전단 속도는 0.1 - 2.0m/s의 조건으로 진행하여, 전단속도의 변화에 따른 전단 강도 및 취성파괴 영향을 확인하였다.
- 4에서와 같이 딤플(dimple)이 있는 연성파괴 영역과 매끈한 취성파괴 영역을 확인 할 수 있다. 이러한 두 영역의 성분을 확인하기 위하여 EDS 분석을 하였다. Fig.
- 2mm/sec 이었다. 인쇄된 솔더페이스트 위에 볼 마운팅용 메탈마스크를 사용하여 솔더볼 마운팅을 실시하였다. 볼 마운팅용 메탈마스크의 홀 직경은 550㎛ 이었다.
- 기판상의 오염물 탈지 및 젖음성을 부여하기 위하여 산탈지 세척을 실시하고, 산세를 실시하여 표면 활성화를 진행하였다. 표면활성화 공정 후에 표면 산화층을 제거하고, 표면 조도를 높여 밀착성을 향상시키기 위해 소프트 에칭을 진행하였다. 무전해 니켈 증착을 위해서는 촉매를 소프트에칭을 실시한 Cu 패드 표면에 형성하였다.
- 본 연구에서는 ENEPIG 표면처리 층을 형성할 때, 첫 번째 도금 공정인 무전해 니켈 공정에서 도금액을 0과 3 MTO로 변화하여 니켈도금을 진행하였고, 그 후 동일한 조건으로 무전해 팔라듐, 치환금 도금을 진행하였다. 형성된 ENEPIG 표면처리에 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu (SAC305) 솔더볼을 마운팅하고 리플로우 하였다. 그 후 솔더 접합부의 계면을 관찰하고, 취성파괴를 분석하였다.
대상 데이터
- 치환 금 도금은 온도 80℃에서 실시하였다. 도금된 무전해 니켈, 무전해 팔라듐, 치환금의 두께는 각각 5㎛, 0.05㎛, 0.05㎛이었다. 각 도금층의 모식도를 Fig.
- 본 연구에서는 Cu 패드가 형성된 FR-4 PCB를 기판으로 사용하였다. Cu 패드 직경은 400㎛ 이었고, 두께는 10㎛로 형성되었다.
- 솔더링 공정에 사용된 솔더볼은 450㎛ 크기의 SAC305(ET16E02P, Ducsan Hi-Metal)이었다. 먼저, ENEPIG 표면 처리된 Cu 패드 위에 SAC305 솔더페이스트(M705-SHF, Senju)를 인쇄하였다.
- 9에 파괴모드를 나타내었다. 총 샘플 수는 25개였고, 25개 샘플 중 연성, 연성+취성, 취성파괴의 세 가지 모드로 나누어 그래프에 표시하였다. 전단속도가 낮을 경우에는 연성파괴가 대부분을 차지하지만, 전단속도가 증가함에 따라 취성파괴가 증가하였다.
이론/모형
- 높은 변형률의 고장모드에서 솔더 접합부의신뢰성을 파악하기 위해 고속전단시험을 통해 취성파괴율을 평가하였다. 고속전단시험은 고속전단시험기(4000HS, Dage)를 이용하였고, 시험은 JEDEC JESD22-B117A 규격에 의거하여 수행하였다12). JEDEC 규격에서는 100~800㎛/s의 속도로 전단시험을 시행하는 것을 저속전단 시험, 그 이상을 고속전단시험으로 분류하고 있다12).
- 본 연구에서 적용된 표면처리는 Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold (ENEPIG) 이다. ENEPIG는 Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG)의 문제점인 치환금 도금 시 니켈 부식을 방지하기 위해 무전해 팔라듐을 무전해 니켈과 치환금 층 사이에 위치 시킨 표면처리이다.
성능/효과
- 1) ENEPIG의 무전해 Ni 도금액의 MTO가 증가될 경우, 솔더 리플로우 후의 계면 IMC의 두께 차이가 크지 않았으나, 500시간 시효 처리 후에는 3 MTO 샘플이 0 MTO샘플보다 높은 계면 IMC 두께를 보였다.
- 2) 무전해 Ni 도금액 MTO가 0 MTO에서 3 MTO로 증가되면 전단강도가 낮아지는데, 그 이유는 3 MTO 샘플의 0 MTO샘플보다 취성파괴 모드가 증가했기 때문이다.
- 이러한 두 영역의 성분을 확인하기 위하여 EDS 분석을 하였다. Fig. 5에서 확인할 수 있듯이 연성파괴 영역은 Sn이 주를 이루므로, 솔더 내부에서 파단이 발생하였고, 취성파괴 영역은 Ni, P, Sn이 측정 되는 것을 보아 솔더 접합부 계면인 Ni-Sn-P층 또는 Ni3P층에서 파단이 이루어짐을 확인하였다. 일반적인 접합부 파단 모드는 크게 연성파괴, 연성-취성 복합 파괴, 취성파괴의 세 가지 모드로 구분하고 있다13-15).
- 또한, 1 m/s 이상에서는 취성파괴가 30%이상으로 크게 증가되었다. 따라서, 3 MTO 샘플이 0 MTO 샘플보다 취성파괴율이 높고, 전단 강도 값은 낮은 것으로 나타났다.
- ENEPIG 표면처리의 경우 무전해 팔라듐 층이 Ni과 Sn 그리고 Cu 의 확산을 억제하여 ENIG 표면처리에 비해 얇은 IMC층을 형성하게 된다17). 따라서, MTO에 의한 IMC 두께 증가의 효과가 ENEPIG에서는 미미하게 작용하는 것으로 판단된다.
- 특히, 취성파괴율이 높은 ENIG 표면처리에서는 이러한 경향이 두드러지게 된다4). 본 연구에서 ENEPIG 0 MTO 샘플의 경우에는 전단속도가 증가함에 따라 전단강도의 급격한 감소가 보이지 않았다. 반면 3 MTO샘플에서는 전단속도가 1.
- 3㎛이상 증가하였다고 보고하고 있다4). 본 연구의 ENEPIG 표면처리는 ENIG만큼 IMC두께 증가가 크지 않았다. ENEPIG 표면처리의 경우 무전해 팔라듐 층이 Ni과 Sn 그리고 Cu 의 확산을 억제하여 ENIG 표면처리에 비해 얇은 IMC층을 형성하게 된다17).
- 이러한 접합 계면에 서의 nano-void의 증가는 취성파괴율을 증가시키고, 따라서 전단강도 값이 낮아지게 된다. 본 연구의 ENEPIG 표면처리의 경우에도 무전해 Ni 층이 용융 솔더와 접촉하여 반응하기 때문에 ENIG의 경우와 같이 nano-void가 형성되고, 이러한 nano-void가 취성파괴에 영향을 주는 것으로 판단된다. 향후에 ENEPIG의 무전해 Ni층과 SAC305솔더 접합부 계면에서 형성되는 nano-void에 대한 관찰이 진행될 예정이다.
- 전해 Cu 도금의 경우, 불순물의 첨가가 microvoid의 불균일 핵생성을 증가시킨다고 보고하고 있다9). 본 연구의 무전해 Ni층에서도 불순물이 원자의 빈자리(vacancy)의 발생을 증가시키고, 이를 통해 치환형 확산을 증가시키므로, 불순물이 많은 3 MTO 샘플이 0 MTO 샘플보다 IMC의 두께가 두꺼운 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 연구의 ENEPIG 표면처리의 경우에도 무전해 Ni 층이 용융 솔더와 접촉하여 반응하기 때문에 ENIG의 경우와 같이 nano-void가 형성되고, 이러한 nano-void가 취성파괴에 영향을 주는 것으로 판단된다. 향후에 ENEPIG의 무전해 Ni층과 SAC305솔더 접합부 계면에서 형성되는 nano-void에 대한 관찰이 진행될 예정이다.
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