[논문]무전해 니켈 도금액 pH 변화에 따른 ENIG/Sn-Ag-Cu솔더 접합부의 취성파괴 특성

서원일; 이태익; 김영호; 유세훈

doi:10.6117/kmeps.2020.27.3.029

무전해 니켈 도금액 pH 변화에 따른 ENIG/Sn-Ag-Cu솔더 접합부의 취성파괴 특성
Brittle Fracture Behavior of ENIG/Sn-Ag-Cu Solder Joint with pH of Ni-P Electroless Plating Solution 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.3, 2020년, pp.29 - 34

서원일 (한국생산기술연구원 부품기능연구부문) , 이태익 (한국생산기술연구원 부품기능연구부문) , 김영호 (한양대학교 신소재공학부) , 유세훈 (한국생산기술연구원 부품기능연구부문)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 무전해 니켈 도금액 pH 변화에 따른 electroless nickel immersion gold (ENIG)/Sn-3.0wt.%Ag-0.5wt.%Cu(SAC305) 솔더 접합부 취성 파괴 거동에 대하여 평가하였다. ENIG 표면처리를 위한 무전해 니켈 도금액의 pH는 4.0에서 5.5로 변화 시켰다. 무전해 니켈 도금 후 Ni-P 표면 관찰 결과, 도금액의 pH가 낮아질수록 Ni-P 층 nodule 표면에 핀홀이 증가하였다. 솔더링 후 접합부 계면에서는 (Cu,Ni)6Sn5 금속간화합물이 형성되었으며, 무전해 니켈 도금액의 pH가 증가할수록 솔더접합부의 계면 금속간화합물의 두께는 증가하였다. 고속전단 시험을 통하여 ENIG/SAC305 솔더 접합부의 취성파괴 거동을 확인하였으며, 무전해 니켈 도금액의 pH가 증가할수록 솔더접합부의 전단강도는 감소하는 경향을 보였다. 또한, 솔더 접합부의 취성 파괴율은 pH가 5일 때 가장 높은 값을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The behavior of brittle fracture of electroless nickel immersion gold (ENIG) /Sn-3.0wt.%Ag-0.5wt.%Cu (SAC305) solder joints was evaluated. The pH of the electroless nickel plating solution for ENIG surface treatment was changed from 4.0 to 5.5. As the pH of the Ni plating solution increased, pin hole in the Ni-P layer increased. The thickness of the interfacial intermetallic compound (IMC) of the solder joint increased with pH of Ni plating solution. The high speed shear strength of the SAC305 solder joint on ENIG surface finish decreased with the pH of the Ni plating solution. In addition, the brittle fracture rate of the solder joint was the highest when the pH of the Ni plating solution was 5.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Process flow of ENIG surface finish.
그림 Fig. 2. Reflow profile of SAC305 solder ball.
그림 Fig. 3. Surface morphology of the electroless-plated Ni-P layer with pH of Ni-P plating solution.
그림 Fig. 4. Cross-sectional SEM micrographs of the SAC305 reflowed on the ENIG surface finish.
그림 Fig. 5. Effect of pH of Ni-P solution on IMC thickness.
그림 Fig. 6. Effect of pH of Ni-P solution on high-speed shear (HSS) test result for ENIG/SAC joint.
$Fig. 7. Effect of pH of Ni-P solution on the brittle fracture rate for the ENIG/SAC solder joint.$ 그림 Fig. 7. Effect of pH of Ni-P solution on the brittle fracture rate for the ENIG/SAC solder joint.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 ENIG 표면처리 공정에서 무전해 Ni 도금액의 pH를 변화시켜 금속간화합물 형성 및 취성파괴 거동을 확인하였다.
본 연구에서는 솔더 신뢰성에 영향을 주는 여러 가지 도금액의 조건 중에서 무전해 Ni-P도금액의 pH변화에 따른 솔더 취성파괴 특성에 대해 연구하였다. 무전해 Ni-P 도금액의 pH는 Ni-P층의 P농도를 직접적으로 변화시킬 수 있는 조건이므로, pH에 따른 표면 부식특성에 대해 관찰하였다.

제안 방법

Ni-P 도금액의 pH를 변화하면서 ENIG 표면처리 공정을 진행하였고, Ni-P표면을 관찰하기 위해 Au을 에칭한 후 표면을 SEM으로 관찰하였다(Fig. 3). SEM 관찰 결과, pH가 낮아질수록 핀 홀의 개수가 증가하는 것이 관찰되었다.
본 연구에서는 솔더 신뢰성에 영향을 주는 여러 가지 도금액의 조건 중에서 무전해 Ni-P도금액의 pH변화에 따른 솔더 취성파괴 특성에 대해 연구하였다. 무전해 Ni-P 도금액의 pH는 Ni-P층의 P농도를 직접적으로 변화시킬 수 있는 조건이므로, pH에 따른 표면 부식특성에 대해 관찰하였다. 또한, ENIG표면처리 후 계면 금속간화합물의 변화에 대해 관찰하였고, 취성파괴 거동에 대해 고찰하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 printed circuit board (PCB)는 FR-4 기판의 solder mask defined(SMD)타입 기판이었다. PCB 두께는 1 mm, Cu 두께는 10 µm, photoimageable solder resist(PSR) 두께는 15 µm, 패드 크기는 400 µm로 설계하였다.
ENIG 표면처리 위에 솔더볼을 실장하기 위해 리플로우 공정을 진행하였다. 본 연구에서 사용된 솔더볼은 450 µm 크기의 Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu(SAC305, Ducsan HiMetal)이었다. 솔더볼을 실장하기 위해서는 Cu 패드 위에 솔더페이스트나 플럭스를 인쇄해야 하는데 본 연구에서는 SAC305솔더페이스트(Senju, M705-SHF)를 Cu 패드 위에 인쇄하였다.

이론/모형

취성파괴율을 평가하기 위해 고속전단장비(Dage, 4000HS)를 이용하여 고속전단 시험을 진행하였다. 고속전단시험은 JEDEC D22 B117A 규격을 사용하였다. 고속전단시험 시 전단 툴의 높이는 PSR 표면으로부터 50 µm를 유지하였다.

성능/효과

1) 무전해 니켈 도금액의 pH가 증가할수록 계면 금속간화합물 두께는 증가하였다.
2) 무전해 니켈 도금액의 pH가 증가할수록 접합강도는 감소하고, 취성파괴율은 증가하였다.
75, 1이다. 취성파괴율은 pH가 5.0일 때, 가장 높은 취성파괴율을 보였다. 니켈 도금액의 pH가 5.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ni계 표면처리가 모바일 기기 PCB나 패키지용 표면처리로서 많이 사용되고 있는 이유는?	ENIG와 ENEPIG등의 Ni계 표면처리는 두께 3~6 µm 무전해 Ni-P 층 위에 두께 50~100 nm의 얇은 Au층이 형성된 표면처리로 취급성, 보관성, 납땜성이 좋고, 전기적인 특성이 우수하기 때문에 모바일 기기 PCB나 패키지용 표면처리로서 많이 사용되고 있다.1,2) 하지만, ENIG같은 Ni계 표면처리는 솔더접합부 계면에서 발생하는 취성파괴에 취약하다는 문제점이 지적되고 있다.
	P농도 변화에 따른 Ni-P도금액의 pH변화는?	이러한 Ni-P 층에서 P농도 변화는 Ni-P도금액의 pH와 밀접한 관계가 있다[5]. pH 가 높아지면 P농도가 높아지고, Ni-P 표면에서 국부적인 P농도 차이가 증가하게 된다.
	ENIG같은 Ni계 표면처리가 갖고 있는 문제는?	ENIG와 ENEPIG등의 Ni계 표면처리는 두께 3~6 µm 무전해 Ni-P 층 위에 두께 50~100 nm의 얇은 Au층이 형성된 표면처리로 취급성, 보관성, 납땜성이 좋고, 전기적인 특성이 우수하기 때문에 모바일 기기 PCB나 패키지용 표면처리로서 많이 사용되고 있다.1,2) 하지만, ENIG같은 Ni계 표면처리는 솔더접합부 계면에서 발생하는 취성파괴에 취약하다는 문제점이 지적되고 있다. 특히, 모바일 기기들은 사용자가 가지고 다니며, 실수로 모바일 기기를 바닥에 떨어뜨릴 때에도 고장 나지 않아야 하기 때문에 높은 낙하충격 신뢰성이 필수적이며, 낙하충격 신뢰성은 솔더접합부의 취성파괴와 밀접한 관계가 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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