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문제 정의
- 본 연구에서는, 몇 가지 친환경 대체 산화방지제를 함유하는 주석-은 전기도금액의 특성에 대해서 연구하였다.
제안 방법
- 1) 구리 필라의 형성: 먼저, 주석-은 솔더범프 공정 전에, 구리 금속 기저층 (UBM) 위에 구리 필라를 형성하기 위하여 시판 중인 황산계 구리 전기도금액 (일본 JCU 주식회사, 상품명 Cu-BRITE BUHD: CuSO4·5H2O + H2SO4 + HCl + H2O + 유기 첨가제 함유)을 이용하여 12인치 패턴 웨이퍼 (범프 CD 20~60 ㎛, 범프 피치 20~190 ㎛)에 구리 필라를 형성하였다.
- 2) 4종의 주석-은 도금액의 제조: 시판 중인 솔더범프용 주석-은 보충액 (에이피씨티 주식회사, 품명: SSB-Sn-SM, SSB-Ag-SM, SSB-Acid-SM, SSB-Ag-AS, SSB-250-GC-A, SSB-250-GC-B 외)을 이용하여 도금액을 제조하였다. 메탄술폰산주석 (SSB-Sn-SM) 95 g/L (Sn2+, 기준), 메탄술폰산은 (SSB-Ag-SM) 2.
- O + 유기 첨가제 함유)을 이용하여 12인치 패턴 웨이퍼 (범프 CD 20~60 ㎛, 범프 피치 20~190 ㎛)에 구리 필라를 형성하였다. 구리 도금은 제조사가 권하는 조건에 따라, 실온에서 도금액을 교반하여 주며, 전류밀도 10 A/dm2 하에서 구리 필러가 10 ㎛ 높이가 될 때까지 도금을 진행하였다.
- 주석-은 전기 도금 공정은 실온에서 교반하여 주면서, 10 A/dm2의 전류 밀도 하에서 높이가 20 ㎛ (또는 25 ㎛)가 될 때까지 정전류 도금을 실시하였다. 도금 피막 외관 평가를 위하여, 솔더 리플로우 전후의 범프의 형상을 SEM으로 관찰하였고, 전류 효율, 은의 함량 (ICP), 리플로우 후 범프내 빈 공간 (X선), 그리고 WIW/WID (%)를 측정하였다.
- 실험 결과, 네 가지 조건 (SSB-100-GC-B, 아스코르브산, 2-나프톨, 산화방지제 제외) 모두 도금액 제조 직후에 범프를 형성하였을 때는 도금특성에 아무런 영향이 없었다. 도금액 제조 후, 보관용기 (폴리프로필렌 용기로서 마개로 밀폐)에 담아 실온 및 빛에서 넉 달이 경과하였을 때의 도금액 상태와 이를 이용하여 도금하였을 때의 도금특성 변화를 관찰하였다. 산화방지제로 SSB-250-GC-B, 아스코르브산, 그리고 2-나프톨을 사용하였을 때, 모두 전후의 도금특성 차이나 외관 변색이 두드러지지 않았다.
- 2) 4종의 주석-은 도금액의 제조: 시판 중인 솔더범프용 주석-은 보충액 (에이피씨티 주식회사, 품명: SSB-Sn-SM, SSB-Ag-SM, SSB-Acid-SM, SSB-Ag-AS, SSB-250-GC-A, SSB-250-GC-B 외)을 이용하여 도금액을 제조하였다. 메탄술폰산주석 (SSB-Sn-SM) 95 g/L (Sn2+, 기준), 메탄술폰산은 (SSB-Ag-SM) 2.0 g/L (Ag+ , 기준), 메탄술폰산 (SSB-Acid-SM) 100 g/L, 첨가제 (SSB-250-GC-A) 51 mL/L, 산화방지제 (SSB-100-GC-B, 아스코르브산, 2-나프톨, 산화방지제 제외) 각 9 mL/L, 착화제 (SSB-Ag-AS) 280 g/L를 혼합, 교반 및 여과하여 주석-은 합금 도금액을 각각 제조하였다 (Table 1).
- 2)의 주석-은 전기 도금액 4종으로 전기 도금을 하여 솔더범프를 각각 형성하였다. 주석-은 전기 도금 공정은 실온에서 교반하여 주면서, 10 A/dm2의 전류 밀도 하에서 높이가 20 ㎛ (또는 25 ㎛)가 될 때까지 정전류 도금을 실시하였다. 도금 피막 외관 평가를 위하여, 솔더 리플로우 전후의 범프의 형상을 SEM으로 관찰하였고, 전류 효율, 은의 함량 (ICP), 리플로우 후 범프내 빈 공간 (X선), 그리고 WIW/WID (%)를 측정하였다.
성능/효과
- 2 ㎛이었다. X선 영상으로 확인한 솔더범프 내에는 빈 공간이 없는 치밀한 구조였으며, ICP로 측정한 주석-은 합금의 은 비율은 ~2.0%이었다.
- 1). 도금액 제조 직후에는 도금 조직의 그레인 크기와 모양 특성에 영향이 크지 않았으며, WID 높이 편차 및 범프내 빈 공간과 금속간 층 균열 생성에도 영향이 없는 것으로 나타났다. Fig, 1(b)와 (c)는 10 ASD 조건에서 산화방지제 성분으로 아스코르브산과 나프톨을 사용하여 도금액을 각각 제조하고 범프를 형성하였을 때의 SEM 형상을 각각 나타낸다.
- 반도체 패키지 솔더범프용 주석-은 도금액내의 주석산화 방지용으로 적용되는 산화방지제의 경우, 산화방지 기능 외에 전류효율, 범프특성, 안정성 등에 관여함을 알 수 있었다. 또한, 본 연구에서 적용한 일부 산화방지제의 경우 기존 산화방지제를 대체할 수 있을 정도의 특성을 나타내었다. 향후, 가혹조건에서의 저장안정성 및 사용기간 안정성평가를 통해 기존 산화방지제와 특성을 비교분석할 예정이다.
- 반도체 패키지 솔더범프용 주석-은 도금액내의 주석산화 방지용으로 적용되는 산화방지제의 경우, 산화방지 기능 외에 전류효율, 범프특성, 안정성 등에 관여함을 알 수 있었다. 또한, 본 연구에서 적용한 일부 산화방지제의 경우 기존 산화방지제를 대체할 수 있을 정도의 특성을 나타내었다.
- 산화방지제로 SSB-250-GC-B, 아스코르브산, 그리고 2-나프톨을 사용하였을 때, 모두 전후의 도금특성 차이나 외관 변색이 두드러지지 않았다. 반면 산화방지제 성분이 없는 경우, 도금액 제조 후 한 달 경과 이후부터는 도금액이 무색에서 황색으로 변색이 발생하였고, 4개월 이후 진한 황색으로 변하였음을 확인할 수 있었다. 도금특성에서도, WID의 편차(19.
- 1(d)는 같은 조건에서, 산화방지제 성분을 제외한 도금액을 제조하여 범프를 형성하였을 때의 SEM 형상을 나타낸다. 실험 결과, 네 가지 조건 (SSB-100-GC-B, 아스코르브산, 2-나프톨, 산화방지제 제외) 모두 도금액 제조 직후에 범프를 형성하였을 때는 도금특성에 아무런 영향이 없었다. 도금액 제조 후, 보관용기 (폴리프로필렌 용기로서 마개로 밀폐)에 담아 실온 및 빛에서 넉 달이 경과하였을 때의 도금액 상태와 이를 이용하여 도금하였을 때의 도금특성 변화를 관찰하였다.
- 범프 형성 후 240℃까지 2℃/분의 속도로 승온하고 3℃/분의 속도로 냉각시켜서 각각 솔더 리플로우를 진행하였다. 이와 같이 하여 얻은 솔더범프의 특성은 범프의 패턴 (범프 CD 20~60 ㎛, 범프 피치 20~190 ㎛)과 범프 유형별 (필라 또는 버섯 모양) 도금 경향성이 모두 양호하였으며, 솔더 리플로우 전과 후의 전자 현미경과 X선 영상을 분석한 결과, 솔더 리플로우 후에 매끈한 표면 외관을 갖춘 범프를 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 솔더범프의 다이 (die) 내 높이 및 높이의 최대값과 최소값의 편차 (WID)는 각각 ~19.
후속연구
- 특히, 국내외 해당 기업에서는, 산화방지제의 경우, 가격 및 성능이 우수한 페놀류를 적용해오고 있었던 것으로 알려져 있다. 그러나, 최근 대형 국내외 수요고객에서 규제물질로 규정함에 따라, 자사에서는 본 산화방지제를 대체할 수 있는, 아스코르브산 외 친환경 산화방지제에 대하여 대체 적용 가능성을 연구해오고 있다.
- 또한, 본 연구에서 적용한 일부 산화방지제의 경우 기존 산화방지제를 대체할 수 있을 정도의 특성을 나타내었다. 향후, 가혹조건에서의 저장안정성 및 사용기간 안정성평가를 통해 기존 산화방지제와 특성을 비교분석할 예정이다.
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