[논문]Graphene Oxide 첨가에 따른 Sn-3.0Ag-0.5Cu 무연솔더 접합부의 Electromigration 특성 분석

손기락; 김가희; 고용호; 박영배

doi:10.6117/kmeps.2019.26.3.081

Graphene Oxide 첨가에 따른 Sn-3.0Ag-0.5Cu 무연솔더 접합부의 Electromigration 특성 분석
Effects of Graphene Oxide Addition on the Electromigration Characteristics of Sn-3.0Ag-0.5Cu Pb-free Solder Joints 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.3, 2019년, pp.81 - 88

손기락 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터) , 김가희 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터) , 고용호 (한국생산기술연구원 마이크로조이닝센터) , 박영배 (안동대학교 신소재공학부 청정에너지소재기술연구센터)

초록
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본 연구에서는 그래핀 산화(graphene oxide, GO) 분말 첨가가 ball grid array(BGA) 패키지와 printed circuit board(PCB)간 Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305) 무연솔더 접합부의 electromigration(EM) 수명에 미치는 영향에 대하여 보고 하였다. 솔더 접합 직후, Ni/Au표면처리된 패키지 접합계면에서는 $(Cu,Ni)_6Sn_5$가 생성되었으며 organic solderability preservative(OSP) 표면처리 된 PCB 접합계면에서는 $Cu_6Sn_5$ 금속간화합물(intermetallic compound, IMC)이 생성되었다. $130^{\circ}C$, $1.0{\times}10^3A/cm^2$ 전류밀도 하에서 EM 수명평가 결과, GO를 첨가하지 않은 솔더 접합부의 평균 파괴 시간은 189.9 hrs으로 도출되었고, GO를 첨가한 솔더 접합부의 평균 파괴 시간은 367.1 hrs으로 도출되었다. EM에 의한 손상은 패키지 접합계면에 비하여 pad 직경이 작은 PCB 접합계면에서 전자 유입에 의한 Cu의 소모로 인하여 발생하였다. 한편, 첨가된 GO는 하부계면의 $Cu_6Sn_5$ IMC와 솔더 사이에 분포하는 것을 확인하였다. 따라서, SAC305 무연솔더에 첨가된 GO가 전류 집중 영역에서 Cu의 빠른 확산을 억제하여 우수한 EM 신뢰성을 갖는 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effects of graphene oxide (GO) addition on electromigration (EM) lifetime of Sn-3.0Ag-0.5Cu Pb-free solder joint between a ball grid array (BGA) package and printed circuit board (PCB) were investigated. After as-bonded, $(Cu,Ni)_6Sn_5$ intermetallic compound (IMC) was formed at the interface of package side finished with electroplated Ni/Au, while $Cu_6Sn_5$ IMC was formed at the interface of OSP-treated PCB side. Mean time to failure of solder joint without GO solder joint under $130^{\circ}C$ with a current density of $1.0{\times}10^3A/cm^2$ was 189.9 hrs and that with GO was 367.1 hrs. EM open failure was occurred at the interface of PCB side with smaller pad diameter than that of package side due to Cu consumption by electrons flow. Meanwhile, we observed that the added GO was distributed at the interface between $Cu_6Sn_5$ IMC and solder. Therefore, we assumed that EM reliability of solder joint with GO was superior to that of without GO by suppressing the Cu diffusion at current crowding regions.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Daisy-chain structure: (a) schematic diagram and (b) cross-sectional SEM images.
그림 Fig. 2. Cross-sectional images of solder joint after reflow process: (a) GO_0 wt% and (b) GO_0.2 wt%.
그림 Fig. 3. Changes in potential (V) with stressing time under 130^oC and 1.0×10³ A/cm².
그림 Fig. 4. EM lifetime of solder joint with GO addition under 130^oCand 1.0×103 A/cm².
그림 Fig. 5. Cross-sectional failure images of solder joint after EM test: (a) GO_0 wt% and (b) GO_0.2 wt%.
그림 Fig. 6. EPMA mapping analysis of EM-failed solder joint: (a) GO_0 wt% and (b) GO_0.2 wt%.
그림 Fig. 7. (a) Schematic diagram of delamination process for XPS sample preparation; (b) optical microscope image of delaminated surface; (b) XPS Gaussian peak fitting results of C1s peak at the GO powder, delaminated surface, and bare PCB.
$Table 1. XPS peak area fractions in C 1s: GO powder, delaminated surface, and bare PCB$ 표 Table 1. XPS peak area fractions in C 1s: GO powder, delaminated surface, and bare PCB
그림 Fig. 8. EBSD analysis of solder joint before EM test: (a) GO_0 wt% and (b) GO_0.2 wt%.

AI 본문요약
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문제 정의

SAC305 무연솔더 접합부의 전기적 신뢰성에 미치는 GO 첨가의 영향을 알아보기 위해 EM 수명평가 및 손상기구에 관한 연구를 진행 하였다. EM 수명평가를 위하여 사용된 패키지는 BGA 패키지로 bis-maleimide-triazine (BT)-type 레진(resin)으로 제조된 기판이 적용되었으며 직경 450 μm의 SAC305 솔더볼이 사용되었다.
본 연구에서는 GO 첨가가 SAC305 솔더 접합부의 EM 수명 및 손상기구에 미치는 영향을 확인하기 위해 다음과 같이 EM 실험 장치를 구성하였다. 오븐(convection oven)에 열전대(thermocouple)와 전극을 배치하고, 솔더 접합부 사이에 데이지 체인이 형성된 시편에 연결하였다.

제안 방법

Figure 1은 접합부의 데이지 체인(daisy-chain) 구조의 모식도와 본 연구에 사용된 실제 접합부의 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM) 후방산란전자(backscattered electron, BSE) 이미지이다. Figure 1(a)와 같이 하부PCB에 GO 복합 솔더 페이스트를 인쇄한 후 상부 SAC305 솔더볼이 접합된 BGA 패키지를 상부에 실장하였다. EM 수명평가를 위해 총 64개의 솔더 접합부를 한 열에 8개, 8행으로 배치하고 전류인가 및 실시간 저항 측정을 할 수 있도록 Fig.
11,29-31) 본 연구에서는 각 시편에서 측정된 전압을 저항으로 환산 후 저항이 20% 증가하는 시점을 파괴시간으로 간주하였고 그 시간을 log-normal 분포로 가정하여 실험조건에서의 평균파괴시간(mean time to failure, t50)과 표준편차(σ)를 도출 하였다.
한편 실시간으로 오븐 내부 온도와 EM 실험 중 가해지는 전류에 의하여 발생하는 줄 열(Joule heating) 발생으로 인한 가열된 시편의 온도 차이를 확인하기 위해 BGA 패키지 상부에 열전대를 부착하였다. Agilent technology 사의 E3648A 직류 전원장치를 이용하여 시편에 전류를 인가하고, 34970A 데이터 수집장치(data acquisition system)를 이용하여 실시간으로 저항변화를 관찰하며 EM 수명평가를 실시하였다. EM 수명평가는 130^oC에서1.
BGA 패키지와 PCB 접합부의 직경은 각각 약 390, 350 μm로, GO복합 솔더 페이스트가 적용된 하부에 위치한 PCB 접합계면에서 EM 손상을 유도하기 위해 pad 직경을 작게 설계하였다.
그 후 PCB의 OSP 표면처리 된 Cu (OSP) pad 위에 80μm의 두께로 제조된 솔더 페이스트를 인쇄한 다음 SAC305 솔더볼이 접합된 BGA 패키지를 PCB pad에 실장 하였다. BGA 패키지와 PCB의 접합을 위해 N₂ 분위기로 유지되는 리플로우 오븐(1809EXL; Heller)에서 217^oC 이상에서 50초 동안 피크 온도는 250^oC로 리플로우 공정을 진행하였다. BGA 패키지와 PCB 접합부의 직경은 각각 약 390, 350 μm로, GO복합 솔더 페이스트가 적용된 하부에 위치한 PCB 접합계면에서 EM 손상을 유도하기 위해 pad 직경을 작게 설계하였다.
EM 수명평가 후 손상기구 분석을 위해 SiC paper와 1μm의 알루미나(Al2O3) 분말로 단면 연마 후 SEM의 BSE 이미지와에너지 분산형 X-선분광기(energy dispersive Xray spectroscopy, EDS)를 이용하여 솔더 접합부의 단면을 분석하였으며 GO의 분포를 확인하기 위해 전자 탐침 미세분석기(electron probe micro analyzer, EPMA)와 X-선 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)를 이용하여 분석하였다.
EM 수명평가는 130oC에서1.0×103A/cm2의 전류밀도 조건에서 9~10개의 시편으로 동시에 진행되었으며, EM 수명 도출을 위한 손상 기준은 JEDEC-JE154P24) 규격에 따라 저항변화율이 20%를 초과하는 시간으로 계산 하였다.
Figure 6은 GO 첨가 유무에 따른 SAC305 무연솔더 접합부의 EM 수명평가 후 첨가된 GO의 분포를 살펴보기 위해 실시한 EPMA mapping 결과이다. EPMA 분석은 손상이 발생한 하부 접합계면을 중심으로 관찰하였다. Figure 6(a)와 같이 GO가 첨가되지 않은 무연솔더 접합부의 하부 PCB 접합계면에는 C가 검출되지 않았다.
GO 분말 첨가에 따른 SAC305 솔더 접합부의 EM 수명평가 및 손상기구를 분석하였다. GO가 첨가된 솔더 접합부는 GO가 첨가 되지 않은 솔더 접합부 보다 약 2배 가량 증가된 EM 수명을 나타내었다.
GO가 첨가된 무연솔더 접합부의 하부 접합계면에서 GO의 존재 유무 및 분포를 확인하기 위하여 EPMA외에 XPS 분석을 진행하였다. IMC 상부의 XPS 분석을 위해 접합되어 있는 상부 패키지를 1 m/s의 속도로 고속전단시험을 진행하여 강제박리 시킨 후 박리된 파면과 순수 GO 분말 및 bare PCB pad의 XPS 분석결과를 비교하였다.
GO가 첨가된 무연솔더 접합부의 하부 접합계면에서 GO의 존재 유무 및 분포를 확인하기 위하여 EPMA외에 XPS 분석을 진행하였다. IMC 상부의 XPS 분석을 위해 접합되어 있는 상부 패키지를 1 m/s의 속도로 고속전단시험을 진행하여 강제박리 시킨 후 박리된 파면과 순수 GO 분말 및 bare PCB pad의 XPS 분석결과를 비교하였다. Figure 7(a)는 상부 BGA 패키지 강제 박리 과정의 모식도이며 Fig.
그 후 PCB의 OSP 표면처리 된 Cu (OSP) pad 위에 80μm의 두께로 제조된 솔더 페이스트를 인쇄한 다음 SAC305 솔더볼이 접합된 BGA 패키지를 PCB pad에 실장 하였다.
따라서, 본 연구에서는 그래핀 산화(graphene oxide, GO) 분말이 첨가된 무연솔더 접합부의 EM 수명평가를 위하여 SAC305 무연솔더 분말에 GO분말이 첨가하여 솔더 페이스트를 제조하고 데이지 체인(daisy-chain)구조의 BGA 패키지(package)와 printed circuit board (PCB) 접합 시편을 제작하여 130oC, 1.0×103A/cm2의 온도 및 전류밀도 조건에서 EM 수명평가를 실시하였다.
EM 수명평가를 위하여 사용된 패키지는 BGA 패키지로 bis-maleimide-triazine (BT)-type 레진(resin)으로 제조된 기판이 적용되었으며 직경 450 μm의 SAC305 솔더볼이 사용되었다. 상부 접합부에 사용된 BGA 패키지의 pad는 Cu 위에 Ni/Au표면처리를 적용하였고, 솔더 접합부를 형성하기 위하여 BGA를 실장하는데 사용된 하부 PCB기판에는 Cu pad위에 organic solderability preservative (OSP) 표면처리를 적용하였다.
2wt%로 혼합된 분말은 87 wt%로 고정하였다. 솔더 페이스트 제조를 위해 미리 혼합해 둔 분말에 13 wt%의 플럭스(CVP-390, Alpaha Metals Korea Ltd.)를 첨가한 후 공자전 믹서를 사용하여 공전속도 800 RPM, 자전속도 600 RPM으로 5분 동안 혼합하여 솔더 페이스트를 제조하였다. 그 후 PCB의 OSP 표면처리 된 Cu (OSP) pad 위에 80μm의 두께로 제조된 솔더 페이스트를 인쇄한 다음 SAC305 솔더볼이 접합된 BGA 패키지를 PCB pad에 실장 하였다.
본 연구에서는 GO 첨가가 SAC305 솔더 접합부의 EM 수명 및 손상기구에 미치는 영향을 확인하기 위해 다음과 같이 EM 실험 장치를 구성하였다. 오븐(convection oven)에 열전대(thermocouple)와 전극을 배치하고, 솔더 접합부 사이에 데이지 체인이 형성된 시편에 연결하였다. 한편 실시간으로 오븐 내부 온도와 EM 실험 중 가해지는 전류에 의하여 발생하는 줄 열(Joule heating) 발생으로 인한 가열된 시편의 온도 차이를 확인하기 위해 BGA 패키지 상부에 열전대를 부착하였다.
직경 20~38 μm의 SAC305 솔더분말과 GO 분말(Graphene Square Inc., Korea)을 볼 밀링기(ball miller)를사용하여 100의 분당 회전 수(revolutions per minute, RPM)로 30분간 예비 혼합 후 공자전 믹서(planetary mixer)를 사용하여 공전속도 400 RPM, 자전속도는 300 RPM 으로 5 분 동안 혼합하였다.
) 분말로 단면 연마 후 SEM의 BSE 이미지와에너지 분산형 X-선분광기(energy dispersive Xray spectroscopy, EDS)를 이용하여 솔더 접합부의 단면을 분석하였으며 GO의 분포를 확인하기 위해 전자 탐침 미세분석기(electron probe micro analyzer, EPMA)와 X-선 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)를 이용하여 분석하였다. 추가적으로 GO의 첨가가 솔더 접합부의 솔더 내 결정방위에 미치는 영향을 분석하기 위하여전자후방산란(electron backscatter diffraction, EBSD) 분석을 진행하였다.
오븐(convection oven)에 열전대(thermocouple)와 전극을 배치하고, 솔더 접합부 사이에 데이지 체인이 형성된 시편에 연결하였다. 한편 실시간으로 오븐 내부 온도와 EM 실험 중 가해지는 전류에 의하여 발생하는 줄 열(Joule heating) 발생으로 인한 가열된 시편의 온도 차이를 확인하기 위해 BGA 패키지 상부에 열전대를 부착하였다. Agilent technology 사의 E3648A 직류 전원장치를 이용하여 시편에 전류를 인가하고, 34970A 데이터 수집장치(data acquisition system)를 이용하여 실시간으로 저항변화를 관찰하며 EM 수명평가를 실시하였다.

대상 데이터

EM 수명평가를 위하여 사용된 패키지는 BGA 패키지로 bis-maleimide-triazine (BT)-type 레진(resin)으로 제조된 기판이 적용되었으며 직경 450 μm의 SAC305 솔더볼이 사용되었다.

성능/효과

1 h으로 도출되었다. GO가 0.2 wt% 첨가된 무연솔더 접합부의 경우 GO가 첨가되지 않은 무연솔더 접합부보다 약 2배 정도 긴 평균 파괴시간으로 도출되어 상대적으로 우수한 EM 신뢰성을 나타내었다.
4에 나타내었다. GO가 첨가되지 않은 무연솔더 접합부의 평균파괴시간은 189.9 h으로 도출 되었으며, GO가 0.2 wt% 첨가된 무연솔더 접합부의 평균파괴시간은 367.1 h으로 도출되었다. GO가 0.
GO 분말 첨가에 따른 SAC305 솔더 접합부의 EM 수명평가 및 손상기구를 분석하였다. GO가 첨가된 솔더 접합부는 GO가 첨가 되지 않은 솔더 접합부 보다 약 2배 가량 증가된 EM 수명을 나타내었다. 솔더 접합부의 EM 손상 기구는 GO 첨가에 관계없이 pad 직경이 작은 하부 PCB 계면의 전자가 유입되는 음극 모서리에서 전류집중에 의한 국부적인 줄 열이 발생하여 Cu 배선의 빠른 소모로 인해 전기적 단락이 발생하였다.
7(c)와 Table 1에 나타내었다. XPS 분석 결과, PCB에서는 C=O 결합이 거의 존재하지 않았으나 박리된 접합부와 GO 분말에서는 C=O 결합이 존재하는 것을 확인하였다. 따라서, 첨가된 GO는 하부 접합계면에서 존재하면서 Cu의 확산을 억제하여 솔더 접합부의 EM 신뢰성을 향상시키는 것으로 판단된다.
5(b)에서와 같이 GO가 첨가된 솔더 접합부의 경우 Cu₆Sn₅ IMC와 솔더 사이 계면에서 GO가 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 결국 본 연구에서 솔더 페이스트에 첨가된 GO는 솔더 접합부의 PCB 하부계면에서 Cu의 확산을 억제하여 Cu 원자의 소모를 지연 시키고 EM 수명이 증가에 기여한 것으로 생각된다.
XPS 분석 결과, PCB에서는 C=O 결합이 거의 존재하지 않았으나 박리된 접합부와 GO 분말에서는 C=O 결합이 존재하는 것을 확인하였다. 따라서, 첨가된 GO는 하부 접합계면에서 존재하면서 Cu의 확산을 억제하여 솔더 접합부의 EM 신뢰성을 향상시키는 것으로 판단된다.
또한 솔더 내부의 분석 결과 GO의 첨가와 관계 없이 Ag3Sn상의 IMC가 β-Sn 결정립계에서 석출됨을 확인할 수 있었다.
2 wt% GO가 첨가된 무연솔더 접합부의 단면을 나타냈었다. 본 연구에서는 상부 BGA 패키지의 pad 직경을 하부 PCB의 pad 직경보다 크게 시편을 설계한 바 EM에 의한 손상은 GO의 첨가와 관계없이 하부 PCB 접합계면의 전자가 유입되는 모서리 부분에서 Cu 원자의 소모에 의하여 파괴가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 이는 전자가 유입되는 영역에서 전류집중이 발생하고 그에 따른 국부적인 줄 열로 인해 Cu 원자가 빠르게 솔더 내부로 확산되기 때문이다.
솔더 접합부의 EM 손상 기구는 GO 첨가에 관계없이 pad 직경이 작은 하부 PCB 계면의 전자가 유입되는 음극 모서리에서 전류집중에 의한 국부적인 줄 열이 발생하여 Cu 배선의 빠른 소모로 인해 전기적 단락이 발생하였다. 솔더에 첨가된 GO는 하부 PCB 계면의 Cu₆Sn₅IMC와 솔더 사이에 분포하고 솔더 내부의 결정립에도 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 솔더에 GO 분말을 첨가하면 솔더 내부에서 결정립을 미세화하고 계면에 존재하면서 Cu의 확산과 배선의 소모를 억제시켜 솔더 접합부의 EM 신뢰성을 향상 시킬 수 있을 것으로 생각된다.
Figure 5는 EM 수명평가 완료된 시편의 단면 BSE 이미지를 나타낸다. 접합 초기와 비교할 때 하부 PCB 접합 계면의 경우 접합 초기에 생성되지 않았던 Cu₃Sn IMC가 GO가 첨가된 경우 EM 실험이 진행되는 동안 하부 PCBCu pad와 접합 초기에 생성된 Cu₆Sn₅ IMC 사이에서 생성됨을 확인할 수 있었다. 이는 EM 실험이 진행되는 동안 GO가 첨가되지 않은 경우에 비하여 장시간 전류와 온도 분위기에 노출되면서 Cu 원자 확산이 가속화됨과 동시에 Cu와 Sn의 확산 속도 차이에 의한 것으로 생각된다.

후속연구

솔더에 첨가된 GO는 하부 PCB 계면의 Cu₆Sn₅IMC와 솔더 사이에 분포하고 솔더 내부의 결정립에도 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 솔더에 GO 분말을 첨가하면 솔더 내부에서 결정립을 미세화하고 계면에 존재하면서 Cu의 확산과 배선의 소모를 억제시켜 솔더 접합부의 EM 신뢰성을 향상 시킬 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Sn-Pb계 솔더의 장점은?	1,2) 이러한 전력밀도 및 사용온도 증가로 인해 솔더 접합부에서 전기적 신뢰성 문제가 대두되고 있다. 종래에 대표적으로 사용된 솔더 소재인 Sn-Pb계 솔더는 경제성, 솔더링성 및 신뢰성이 우수하여 전자패키징 분야에 널리 사용되었다. 그러나 유해물질 제한지침(restriction of hazardous substances directive, RoHS)3)에 의해, 모든 전자제품에 Sn-Pb계 솔더 사용이 불가하게 되었다.
	Sn-Pb계 솔더의 대체 재료로 개발된 무연솔더는 무엇이 있는가	그러나 유해물질 제한지침(restriction of hazardous substances directive, RoHS)3)에 의해, 모든 전자제품에 Sn-Pb계 솔더 사용이 불가하게 되었다. 그에 따라 Sn-Pb계 솔더의 대체 재료로 Sn-Ag계, Sn-Ag-Cu계, Sn-Bi계 솔더 등 여러 종류의 무연솔더들이 개발되어 전자패키징에 사용되고 있으며4,5) 무연솔더의 전기적, 기계적 신뢰성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 전자패키징에 사용되는 대표적인 무연솔더는 Sn-Ag, Sn-Cu 및 Sn-Ag-Cu가 있으며 연구되어 온 많은 무연솔더 중에 Sn-Ag-Cu계의 솔더가 가장 많이 사용되고 있다.
	GO가 첨가된 SAC305 솔더페이스트 제조 공정은?	GO가 첨가된 SAC305 솔더페이스트 제조 공정은 다음과 같다. 직경 20~38 μm의 SAC305 솔더분말과 GO 분말(Graphene Square Inc., Korea)을 볼 밀링기(ball miller)를사용하여 100의 분당 회전 수(revolutions per minute, RPM)로 30분간 예비 혼합 후 공자전 믹서(planetary mixer)를 사용하여 공전속도 400 RPM, 자전속도는 300 RPM 으로 5 분 동안 혼합하였다. 이때, GO가 첨가된 함량은 0과 0.2wt%로 혼합된 분말은 87 wt%로 고정하였다. 솔더 페이스트 제조를 위해 미리 혼합해 둔 분말에 13 wt%의 플럭스(CVP-390, Alpaha Metals Korea Ltd.)를 첨가한 후 공자전 믹서를 사용하여 공전속도 800 RPM, 자전속도 600 RPM으로 5분 동안 혼합하여 솔더 페이스트를 제조하였다. 그 후 PCB의 OSP 표면처리 된 Cu (OSP) pad 위에 80μm의 두께로 제조된 솔더 페이스트를 인쇄한 다음 SAC305 솔더볼이 접합된 BGA 패키지를 PCB pad에 실장 하였다. BGA 패키지와 PCB의 접합을 위해 N2 분위기로 유지되는 리플로우 오븐(1809EXL; Heller)에서 217oC 이상에서 50초 동안 피크 온도는 250oC로 리플로우 공정을 진행하였다. BGA 패키지와 PCB 접합부의 직경은 각각 약 390, 350 μm로, GO복합 솔더 페이스트가 적용된 하부에 위치한 PCB 접합계면에서 EM 손상을 유도하기 위해 pad 직경을 작게 설계하였다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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