PCB 의 ENIG 와 OSP 표면처리에따른 Sn-3.5Ag 무연솔더접합부의 Electromigration 특성및전단강도평가 167 보고되고있다. 4) 이와같은이슈에의하여다양한주제의솔더가연구중이다. 특히고온용무연솔더는지난유해물질규제지침에서예외항목으로인정받은바, 아직전세

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창엽 표
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1 [ 논문 ] 한국재료학회지 Kor. J. Mater. Res. Vol. 24, No. 3 (2014) PCB 의 ENIG 와 OSP 표면처리에따른 Sn-3.5Ag 무연솔더접합부의 Electromigration 특성및전단강도평가 김성혁 1 이병록 2 김재명 3 유세훈 4 박영배 2 1 네패스반도체연구소, 2 안동대학교신소재공학부청정에너지소재기술연구센터 3 스태츠칩팩코리아기술연구소, 4 한국생산기술연구원용접접합기술센터 Effects of PCB ENIG and OSP Surface Finishes on the Electromigration Reliability and Shear Strength of Sn-3.5Ag PB-Free Solder Bump Sung-Hyuk Kim 1, Byeong-Rok Lee 2, Jae-Myeong Kim 3, Sehoon Yoo 4 and Young-Bae Park 2 1 Nepes Corporation, Ochang , Korea 2 School of Materials Science and Engineering, Andong National University, Andong , Korea 3 STATS ChipPAC Korea Ltd, Icheon , Korea 4 Korea Institute of Industrial Technology, Micro-Joining Center, Incheon , Korea (2014 년 1 월 10 일접수 : 2014 년 3 월 18 일최종수정 : 2014 년 3 월 19 일채택 ) Abstract The effects of printed circuit board electroless nickel immersion gold (ENIG) and organic solderability preservative (OSP) surface finishes on the electromigration reliability and shear strength of Sn-3.5Ag Pb-free solder bump were systematically investigated. In-situ annealing tests were performed in a scanning electron microscope chamber at 130, 150, and 170 o C in order to investigate the growth kinetics of intermetallic compound (IMC). Electromigration lifetime and failure modes were investigated at 150 o C and A/cm 2, while ball shear tests and failure mode analysis were conducted under the highspeed conditions from 10 mm/s to 3000 mm/s. The activation energy of ENIG and OSP surface finishes during annealing were evaluated as 0.84 ev and 0.94 ev, respectively. The solder bumps with ENIG surface finish showed longer electromigration lifetime than OSP surface finish. Shear strengths between ENIG and OSP were similar, and the shear energies decreased with increasing shear speed. Failure analysis showed that electrical and mechanical reliabilities were very closely related to the interfacial IMC stabilities. Key words Sn-3.5Ag Pb-free solder, electroless nickel immersion gold(enig), organic solderability preservative(osp), highspeed shear test, electromigration. 1. 서론 최근 restricting the use of hazardous substances (RoHS) 와같은법령에의해세계적으로유연솔더의사용규제가이루어지면서무연솔더에대하여많은연구가이루어지게되었다. 1,2) 이러한사회적분위기속에서산업체에주목을받고있 는무연솔더의소재중의하나가 Sn-Ag-Cu 계솔더인데, 그중에서도젖음특성과접합부의신뢰성측면에서우수한것으로알려진 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성이최근몇년동안대표적인무연솔더로사용되어왔다. 3) 그러나 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성으로이루어진솔더접합구조의경우외부에서인가되는응력 (stress) 에의해크랙 (crack) 의전파가비교적잘이루어지는특성을나타내는것으로 Corresponding author ybpark@andong.ac.kr (Y.-B. Park, Andong Nat'l Univ.) Materials Research Society of Korea, All rights reserved. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 166

2 PCB 의 ENIG 와 OSP 표면처리에따른 Sn-3.5Ag 무연솔더접합부의 Electromigration 특성및전단강도평가 167 보고되고있다. 4) 이와같은이슈에의하여다양한주제의솔더가연구중이다. 특히고온용무연솔더는지난유해물질규제지침에서예외항목으로인정받은바, 아직전세계적으로활발한연구가진행되지는않고있으나최근일본을중심으로관련연구결과들이속속발표되고있다. 한편, 표면실장기술형식의 ball grid array(bga) 와같은고집적패키지기술이개발되면서소형전자기기를비롯한기타전자부품실장에널리이용되고있다. 5) BGA 실장기술은칩과패키지간범프간격이짧기때문에칩의소형화에유리한장점을가지고있다. 이와같은고집적패키지의개발로전자제품의소형화및고성능화는가능해졌지만솔더접합부의신뢰성이전자기기의수명과직접적연관을가지게되면서관련패키지기술개발및연구가활발히진행되고있다. 6) 인쇄회로기판 (printed circuit board, PCB) 에실장된칩패키지는기판상구리패드의표면처리물질또는기술에따라서솔더접합부신뢰성에지대한영향을미친다. 환경친화적표면처리공법으로유기땜납성보존제 (organic solderability preservative, OSP), 무전해 Ni 도금 /Au 치환도금 (electroless nickel immersion gold, ENIG) 처리등이산업체전반에널리쓰이고있다. 7,8) 이와같이다양한표면처리방식이존재하며산업적으로널리쓰이고있지만, 표면처리에따른솔더접합부의신뢰성에관한연구는아직부족한실정이다. 또한, 최근전자기기의경박단소화추세에따른미세패드피치의적용으로인해 BGA 솔더범프의직경및금속하부층 (under bump metallurgy) 단면적의감소는패키지내전류밀도의증가를야기한다. 이러한전류밀도의증가는기존플립칩솔더범프에서보아왔던 electromigration 에의한파괴현상을 BGA 솔더범프에서도일으킨다고보고된바있다. 9) 최근 BGA 솔더범프의합금종류및표면처리와관련하여솔더접합부의 electromigration 평가및전단강도평가에많은연구가진행되고있다. 9-14) 기그룹에서는대표적인무연솔더인 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성의 BGA 솔더범프를 130~175 o C 조건에서 ENIG, immersion Sn, OSP 표면처리의활성화에너지값은각각 0.52, 0.78, 0.72 ev 로평가되었고, 10) 전단강도평가결과 OSP, immersion Sn 표면처리보다 ENIG 표면처리의전단강도가더크다고평가되었다. 11) 또한 Sn-1.2Ag-0.7Cu-0.4In 조성의 BGA 솔더범프를 135~170 o C 조건에서 OSP, ENIG 표면처리의활성화에너지값은각각 0.86 ev, 0.87 ev 값으로평가하였으며, 12) 전단강도평가결과 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리보다더높은전단강도값을 나타내었다. 13) 또한, Sn-3.5Ag 플립칩범프는 120~160 o C, A/cm 2 전류밀도조건에서활성화에너지값을 0.92 ev로평가하였다. 14) 하지만 Sn-3.5Ag 조성의 BGA 솔더범프에서표면처리에따른 electromigration 특성및전단강도평가에대한연구는미흡한실정이다. 따라서본연구에서는 Sn-3.5Ag 조성의 BGA 솔더범프에서표면처리에따른계면반응특성및 electromigration 특성을알아보기위하여 PCB 표면에 ENIG 표면처리와 OSP 표면처리를하여솔더접합부를 in-situ 실험을통하여비교분석하였다. 또한, 표면처리에따른접합강도특성을평가하기위하여고속의전단속도조건에서볼전단강도평가를실시하였다. 2. 실험방법 Sn-3.5Ag 솔더범프의금속간화합물 (intermetallic compound) 성장거동에미치는 PCB 표면처리의영향을알아보기위해서전기적및기계적평가에따른솔더접합부의금속간화합물형성과성장거동을연구하였다. 실험에사용된 bis-maleimide-triazine(bt)-type 레진 (resin) 으로제조된 P-BGA(plastic-BT) 상부기판과지름 490 µm, 높이 323 µm, Sn-3.5(wt%)Ag 조성의 BGA 솔더볼이사용되었다. 상부 P-BGA 와하부 PCB 에단층 copper-clad-laminate(ccl) 형성후, non solder mask defined(nsmd) 타입으로설계되었다. 상부에사용된 P- BGA 패드층의표면처리는 ENIG 표면처리로, Ni(P) 층을무전해도금으로형성후, Au 층을치환도금으로형성하였다. 하부에사용된기판은 PCB 타입의 FR-4 기판이사용되었으며, 기판위표면처리는각각 OSP 표면처리와대략 5% 정도의 P 함량을지닌 ENIG(Ni-P 층 : 4 µm, immersion Au 층 : 0.15 µm) 처리가되었다. 상부 P-BGA 의패드와솔더볼에 rosin mildly activated(rma) 플럭스를도포후솔더볼을탑제 (solder ball attach) 하고, 227 o C 이상에서 60 초동안리플로우접합후플럭스세척제를사용하여잔여플럭스를제거하였다. 한번리플로우과정을거친시편의경우상부 P-BGA 에붙어있는솔더볼과하부 PCB 에다시한번 RMA 플럭스를도포한후두기판을정렬하고, 두번째리플로우를통하여시험용시편을제작하였다. Fig. 1(a) 는 Sn- 3.5Ag 솔더범프의모식도를나타냈으며, Fig. 1(b) 는 Sn-3.5Ag 솔더범프의단면을주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM) 의 back scattered electron (BSE) 이미지이다. 두표면처리모두 135, 150, 170 o C 에서열처리실험을하였으며, electromigration 수명평가는 daisy chain

168 김성혁 이병록 김재명 유세훈 박영배 Fig. 1. (a) Schematic diagram and (b) cross-sectional BSE image of the Sn-3.5Ag solder bump structure. 구조 시편을 이용하여 130 oc, 5.0 103 A/cm2 의 전류 밀도 조건에서 9~10개의 시편을 동시 실험하였다.

볼 전단 강도는 미국 Richardson Electronics사의 범용 접합부 테스트 장비(Dage-4000HS) 를 이용하여 joint electronic device engineering council (JEDEC) 규격(JEDEC22-B117A)15)을 기준으로 10~3000 mm/s 조건과 전단높이 40 µm의 조건으로 전단강도를 평 가하였다.

3 168 김성혁 이병록 김재명 유세훈 박영배 Fig. 1. (a) Schematic diagram and (b) cross-sectional BSE image of the Sn-3.5Ag solder bump structure. 구조 시편을 이용하여 130 oc, A/cm2 의 전류 밀도 조건에서 9~10개의 시편을 동시 실험하였다. 기계 적 신뢰성 평가용 시편은 총 64개의 솔더볼을 실장 하 여 접합하였으며, 실장 된 솔더볼은 볼 전단 강도 시 험을 위해 평가될 영역의 솔더볼을 제외하고 나머지 솔 더볼을 제거하였다. 볼 전단 강도는 미국 Richardson Electronics사의 범용 접합부 테스트 장비(Dage-4000HS) 를 이용하여 joint electronic device engineering council (JEDEC) 규격(JEDEC22-B117A)15)을 기준으로 10~3000 mm/s 조건과 전단높이 40 µm의 조건으로 전단강도를 평 가하였다. 표면처리에 따른 미세구조 분석 및 파괴에 따 른 분석은 SEM의 BSE 이미지와 energy dispersive xray spectroscopy(eds)를 이용하여 분석하였다. 또한 insitu SEM을 통하여 실시간으로 금속간 화합물 성장 거 동을 분석하고 금속간 화합물의 두께는 image analyzer 를 이용하여 측정한 금속간 화합물의 면적을 계면의 길 이로 나눔으로써 정의하였고, 열처리 온도와 시간에 따 른 금속간 화합물의 두께변화를 이용하여 활성화 에너 지 값을 도출하였다. 3. 결과 및 고찰 Sn-3.5Ag 솔더 범프의 접합 후 표면처리에 따른 접합 계면의 미세구조를 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2(a)는 ENIG 표면처리 된 시편의 접합 직후 미세구조이며, EDS 분석을 통하여 Sn/Ni(P) 계면에서 Ni3Sn4 및 Ni3-P(prich Ni layer) 금속간 화합물이 형성된 것을 관찰하였 다. Fig. 2(b)는 OSP 표면처리 된 시편의 접합 직후의 미세구조이며, EDS 분석을 통하여 접합 패드 계면에서 Cu6Sn5 금속간 화합물이 형성된 것을 관찰하였다. 접합 직후, ENIG 표면처리보다 OSP 표면처리에서 금속간 화 합물층이 더 두껍게 형성된 것을 관찰하였다. 이것은 ENIG 표면처리에서 Cu와 솔더 사이에 Sn 과 반응이 서 로 활발하지 않은 Ni(P)층이 존재하기 때문에 나타나는 Fig. 2. As-reflowed BSE micrographs of cross-sectioned solder/ surface finishes: (a) ENIG and (b) OSP. 차이로 판단된다.16) 열처리에 따른 Sn-3.5Ag 솔더 범프 에서의 금속간 화합물 형성과 성장거동을 관찰하기 위 해 각각 135, 150, 170 oc 온도에서 1000 h 동안 열처 리 실험을 진행하였다. Fig. 3은 각 온도 조건에서 1000 h 열처리 후, 표면처리에 따른 접합 계면의 SEM 이미 지를 나타내었고, Fig. 4는 ENIG 표면처리 및 OSP 표 면처리 솔더 접합부의 열처리 시간과 온도에 따른 금 속간 화합물 성장거동을 정량화하여 그래프로 나타내었 다. Fig. 3(a)와 같이 ENIG 표면처리 시편의 경우 열처 리 시간 및 온도가 증가하여도 초기 Ni3Sn4 상의 두께 에는 큰 변화는 없는 것을 관찰할 수 있으며, Fig. 3(b) 의 OSP 표면처리 시편과 비교해 보았을 때 OSP 표면 처리의 금속간 화합물이 더 빠르게 성장하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 Fig. 4에서 표면처리에 따라 금속간 화 합물 성장 속도가 차이 나는 것을 확인할 수 있는데, 이 는 위에서 언급한 Cu와 솔더 사이에 Sn과 반응이 활발 하지 않은 Ni(P)층이 확산방지막 역할을 했기 때문이라 판단된다. 같은 온도와 시간 조건에서 금속간 화합물의 성장속도는 ENIG 표면처리보다 OSP 표면처리가 빠른 것 을 확인할 수 있었다. 따라서 ENIG 표면처리가 열처리 에 따른 금속간 화합물 성장 거동과 관련한 계면 반응 특성에서 OSP 표면처리보다 안정적인 것으로 판단된다. Fig. 5는 열처리 온도에 따른 Sn-3.5Ag BGA 솔더 범 프의 표면처리 별 활성화 에너지를 나타낸 그래프이다. 이

4 PCB의 ENIG와 OSP 표면처리에 따른 Sn-3.5Ag 무연솔더 접합부의 Electromigration 특성 및 전단강도 평가 169 Fig. 3. Enlarged BSE micrographs of cross-sectioned solder/surface finishes after annealing at 135 oc, 150 oc, and 170 oc for 1000 h: (a) ENIG and (b) OSP. Fig. 4. Effects of the surface finish on the total IMC thickness as a function of annealing temperature: (a) ENIG and (b) OSP. 때, 활성화 에너지는 식(1)의 Arrhenius 방정식을 이용하 여 계산할 수 있다.16) E 2 2 k = k 0 exp a- RT (1) 2 여기서, k2은 반응상수의 제곱, k 0 은 frequency factor, Ea는 활성화 에너지, R은 기체상수 그리고 T는 열처리 온도를 나타낸다. 열처리 시 표면처리 별 금속간 화합 물 성장에 대한 활성화 에너지를 구하기 위해서 Arrhenius plot을 이용하였으며, 이를 Fig. 5에 나타내었다. ENIG

5 170 김성혁 이병록 김재명 유세훈 박영배 Fig. 5. Arrhenius plot of the total IMC growth rate for the various surface finishes with annealing: ENIG and OSP. Fig. 6. Cumulative distribution function (CDF) plots of electromigration for the Sn-3.5Ag solder bump (a) ENIG and (b) OSP surface finishes 표면처리의경우, 전체금속간화합물인 Ni 3 Sn 4 금속간화합물에의활성화에너지값은 0.84 ev 로평가되었으며, OSP 표면처리의경우, 전체금속간화합물인 Cu 6 Sn 5 와 Cu 3 Sn 의활성화에너지값이 0.94 ev 로평가되었다. 기그룹에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성의 BGA 솔더범프에서는 130~175 o C 조건에서활성화에너지값은 ENIG 표면처리와 OSP 표면처리가각각 0.52 ev, 0.72 ev 로평가되었다. 10) 이러한표면처리에따른활성화에너지값의차이는 ENIG 표면처리의 Ni(P) 층에의해서로다른금속간화합물이형성되었기때문으로판단된다. Sn-3.5Ag 솔더범프를 130 o C, A/cm 2 전류밀도조건에서 ENIG 표면처리및 OSP 표면처리에따른 electromigration 수명평가를실시하였다. Electromigration 수명평가는오븐내에서표면처리별 9~10 개의샘플을동시에실험하였으며, 시편에전류를인가할때, 솔더범프내부에서 Joule heating 에의해서시편의온도가증 가하게되는데이러한 Joule heating effect 를측정하기위해칩의뒷면에 thermocouple 을직접부착하여실시간으로온도변화를관찰하였다. 각조건에서의전류를인가한후실시간으로변화하는전압을측정하여저항으로환산한뒤저항이 20 % 증가하는시점을파괴시간으로간주하였다. Electromigration 수명평가시인가하는전류밀도는표면처리의영향을알아보기위하여솔더범프의단면적이아닌 PCB 표면처리기판쪽의 pad open 의단면적으로계산하여평가하였다. 각시편에서의파괴시간을 log-normal 분포로가정하여실험조건에서의평균파괴시간 (t 50, MTTF) 과표준편차 (σ) 를평가하였다. t 50 은특정조건에서 50 % 의시편이파괴되는시간을나타내며평균파괴시간이라고한다. 평균파괴시간은누적분포함수 (cumulative distribution function, CDF) 와각시편에서의파괴시간의관계를통하여구할수있으며, 표준편차는 50 % 에서의파괴시간을 16 % 에서의파괴시간으로나눈값, 즉각시편에서의파괴시간과누적분포함수의기울기를통하여도출할수있다. 표면처리별평균파괴시간과표준편차값을 Fig. 6 에나타내었다. 그래프에서볼수있듯이 ENIG 표면처리의경우 h, OSP 표면처리의경우 97.9 h 으로평균파괴시간이각각평가되었고, 표준편차값은각각 0.36, 0.64 로도출되었다. 표준편차의값은작을수록그데이터의신뢰성이높은것이며, 시편간의편차또한작은것임을나타낸다. 위의결과 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리에비하여 electromigration 수명평가에대하여조금더뛰어나다는것을확인할수있다. 열처리결과에서또한 ENIG 표면처리의경우, OSP 표면처리에보다낮은금속간화합물성장속도와성장률을보였다. 이는 Sn 내에서 Cu 의확산계수가 Ni 의확산계수보다약 20 배더크며, electromigration 수명평가동안전자에의해가속화되기때문에 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리보다더긴수명을가진것으로판단된다. Electromigration 에대한수명평가가완료된샘플에대한파괴가일어난부분의단면 SEM 이미지를 Fig. 7 에나타내었다. 상부의 Cu pad opening 의단면적이아래쪽접합부의단면적보다큰구조이기때문에, 아래쪽에서 electromigration 에의한파괴가일어나도록유도하였다. Fig. 7(a) 와 Fig. 7(b) 에서알수있듯이, ENIG 표면처리의경우전자가유입되는모서리부분에서 Ni 을모두소모한후아래쪽 Cu 원자의완전한소모에의한파괴가일어난것을관찰할수있으며, OSP 표면처리의경우 Ni 보다빠른확산계수를가진 Cu 가 Sn 과의계면에서전체적으로확산하여파괴가일어난것을관찰할수있다. Fig. 8 은표면처리에따른 Sn-3.5Ag 솔더접합부의 electromigration 수명평가완료후미세구조를관찰한단

PCB의 ENIG와 OSP 표면처리에 따른 Sn-3.5Ag 무연솔더 접합부의 Electromigration 특성 및 전단강도 평가 Fig. 7. Effects of the surface finish on the damage morphologies after EM failure under conditions of 130 oc and 5.

반대로 (4)에서는 전자가 유입이 되고 (3)로 빠 져나가는 daisy chain 구조이다.

6 PCB의 ENIG와 OSP 표면처리에 따른 Sn-3.5Ag 무연솔더 접합부의 Electromigration 특성 및 전단강도 평가 Fig. 7. Effects of the surface finish on the damage morphologies after EM failure under conditions of 130 oc and A/cm2: (a) ENIG after failure at 151 h, (b) OSP after failure at 57 h. 면의 SEM 이미지를 나타내었다. 각 표면처리 마다 전 류인가 시, Fig. 8의 (1)에서 전자가 유입되고 (2)로 내 려간다. 반대로 (4)에서는 전자가 유입이 되고 (3)로 빠 져나가는 daisy chain 구조이다. 전자의 이동 방향을 따 라 상부와 하부 Cu 기판에서 Cu 원자가 이동하여 서 로 다른 두께의 금속간 화합물을 형성한 것을 볼 수 있 는데, 이러한 현상은 electromigration 현상에 의해 발생 되는 극성효과로 전기적 신뢰성에 대한 중요한 이슈 중 의 하나이다.17) 본 실험에서는 실험 조건인 130 oc 보다 약 20 oc 이상의 Joule heating 값이 측정되었다. 이러한 Joule heating은 솔더 내부로 전자가 유입되는 금속배선 171 의 모서리 부분에서 전류 집중에 의해 발생하며,18-21) 이 때 발생되는 Joule heating에 의해 Sn과 Cu가 활발한 반응을 보인다고 보고되어왔다. Wu 그룹은 시뮬레이션 결과를 바탕으로 전자가 유입되는 영역에서의 온도가 다 른 부분과 비교하였을 때, 보다 높은 온도가 측정되었 다고 보고하였다.22) 이를 바탕으로 전자가 유입되는 접 합부에서 Cu와 Sn은 다른 영역보다 활발하게 반응을 하 게 되고, Cu가 급격하게 소모됨으로써 파괴가 일어나게 된다.23) 이러한 파괴모드는 본 연구 결과와 매우 비슷한 결과이다. 결국 전류 집중 현상에 의한 과도한 Joule heating에 의해 Cu 원자가 빠르게 소모됨으로써 파괴가 일어났음을 알 수 있었다. 전단 속도에 따른 Sn-3.5Ag 솔더 접합부의 접합강도 에 대한 표면처리의 영향을 평가하기 위해 볼 전단 시 험을 실시하였다. 볼 전단시험은 고속 접합 강도 시험 기를 이용하여 평가하였다. 실험 조건은 접합 후의 시 편으로 10~3000 mm/s의 전단 시험 속도와 40 um의 전 단높이 조건하에서 다양한 전단속도에 대한 각 표면처 리 별 접합 강도 특성을 평가하였다. 기계적 접합강도 평가에 대한 파괴기구를 규명하기 위해 전단 시험 후 파 면을 분석하였다. 각 표면처리 별 전단속도에 따른 전 단강도 및 에너지 값에 대한 그래프를 Fig. 9(a)에 나타 내었다. OSP 표면처리에 비하여 ENIG 표면처리의 다소 높은 전단강도를 관찰할 수 있다. 또한, ENIG 표면처리 의 경우, 2000 mm/s 의 전단속도까지 전단강도가 증가 하는 경향을 보이지만, OSP 표면처리의 경우, 250 mm/ s 의 전단속도 이후 전단강도가 감소하는 경향을 관찰 하였으나 두 표면처리의 전단강도 값은 유사하게 나타 났다. 이 결과는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 및 Sn-1.2Ag-0.7Cu0.4In 조성의 BGA 솔더 범프에서 전단강도 평가 결과 인 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리의 전단강도보다 높 Fig. 8. Effects of the surface finishes on the EM tests at 130 C and A/cm2: (a) ENIG and (b) OSP damage morphologies.

$172 김성혁 이병록 김재명 유세훈 박영배 Fig. 10. SEM fracture surface images of Sn-3.$ shear force and (b) shear energy on Sn-3.5Ag solder joint with surface finishes and shear speeds. 다는 것과11,13) 다른 경향을 보였다. 이는 조성의 차이에 따른 리플로우 공정의 온도 차이 및 금속간 화합물 성 장 거동등의 차이에 의한 것으로 판단된다. Fig.

shear force and (b) shear energy on Sn-3.5Ag solder joint with surface finishes and shear speeds. 다는 것과11,13) 다른 경향을 보였다. 이는 조성의 차이에 따른 리플로우 공정의 온도 차이 및 금속간 화합물 성 장 거동등의 차이에 의한 것으로 판단된다. Fig.

7 172 김성혁 이병록 김재명 유세훈 박영배 Fig. 10. SEM fracture surface images of Sn-3.5Ag solder joint with each surface finish and the shear speeds; (a) ENIG surface finish at 10 mm/s and 3000 mm/s; (b) OSP surface finish at 10 mm/s and 3000 mm/s. 4. 결 Fig. 9. (a) Max. shear force and (b) shear energy on Sn-3.5Ag solder joint with surface finishes and shear speeds. 다는 것과11,13) 다른 경향을 보였다. 이는 조성의 차이에 따른 리플로우 공정의 온도 차이 및 금속간 화합물 성 장 거동등의 차이에 의한 것으로 판단된다. Fig. 9(b)의 전단 에너지 값은 전단 속도가 증가함에 따라 ENIG와 OSP 표면처리 모두 감소하는 것을 확인 할 수 있는데, 이는 전단 속도가 증가함에 따라 솔더의 인성이 감소하 기 때문으로 판단 된다. 각 표면처리 별 고속 전단시험 범위에서 시험된 SEM 파면 이미지를 Fig. 10에 나타내 었다. Fig. 10(a)의 ENIG 표면처리는 전단속도 증가에 따라 금속간 화합물 층에서 파괴가 일어나는 취성파괴 와 솔더에서 파괴가 일어나는 연성파괴가 동시에 존재 하는 것으로 관찰되었고, Fig. 10(b)의 OSP 표면처리는 전단속도가 증가에 따라 금속간 화합물 층에서 파괴가 일어나는 취성파괴만 관찰되었다 mm/s의 전단속도 에서 OSP 표면처리와 ENIG 표면처리가 다른 파괴모드 로 관찰되는 것 또한 앞서 언급한 금속간 화합물 파괴 분율의 차이와 얇은 층의 Ni3Sn4 상과 두꺼운 층의 Cu6Sn5 상의 차이에 의한 것으로 판단되며, 보다 정확 한 원인 규명을 위해 추가적인 분석 및 연구가 필요한 것으로 판단된다. 론 Sn-3.5Ag 솔더 범프의 PCB 표면처리에 따른 electromigration 특성 및 전단강도를 비교하기 위하여 열처리, electromigration 수명평가, 전단속도에 따른 강도평가를 실시하였다. 열처리 시간에 따라 ENIG 표면처리에서는 Ni3Sn4상이, OSP 표면처리에서는 Cu6Sn5, Cu3Sn상의 금 속간 화합물이 생성 되었으며, 활성화 에너지의 값은 각 각 0.84 ev, 0.94 ev 값을 나타내었다. 또한 ENIG 표면 처리가 OSP 표면처리 보다 높은 electromigration 수명 결과를 나타내었다. 이는 ENIG 표면처리가 OSP 표면처 리에서 생성되는 Cu6Sn5상보다 열적으로 안정한 Ni3Sn4 상을 형성하여 확산방지층 역할을 했기 때문으로 판단 된다. 전단강도평가 결과 ENIG, OSP 표면처리가 비슷한 전 단강도의 값을 나타내었으며, 전단에너지는 두 표면처리 모두 전단속도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타 내었다. 이는 전단속도가 증가함에 따라 솔더의 인성이 감소하기 때문으로 판단된다. 또한 고속 전단평가 파면 을 분석한 결과 OSP 표면처리는 취성 파괴만이 일어났 으며, ENIG에서는 연성파괴와 취성파괴가 동시에 일어 났다. 이는 ENIG 표면처리의 경우 Sn과의 반응성이 낮 은 Ni이 얇은 층의 Ni3Sn4상을 생성하고, OSP 표면처리 의 경우 Sn과 반응성이 높은 Cu가 두꺼운 층의 Cu6Sn5 상을 형성하였기 때문이라 판단된다.

8 PCB 의 ENIG 와 OSP 표면처리에따른 Sn-3.5Ag 무연솔더접합부의 Electromigration 특성및전단강도평가 173 감사의글 이논문은 2011 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의나노 소재기술개발사업 ( 그린나노기술개발사업, ) 및기초연구사업 ( ) 지원을받아수행되었으며, 이에관계자여러분께감사드립니다. References 1. Directive 2002/95/EC on the Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment(RoHS), The European Parliament and of the Council of the European Union, Jan. (2003). 2. European Union WEEE Directive, 3rd Draft, May (2000). 3. D. Suh, D. W. Kim, P. Liu, H. Kim, J. A. Weninger, C. M. Kumar, A. Prasad, B. W. Grimsley d H. B. Tejada, Mater. Sci. Eng. A, 460, 595 (2007). 4. D. G. Kim, J. W. Kim, S. S. Ha, B. I. Noh, J. M. Koo, D. W. Park, M. W. Ko, and S. B. Jung, J. Alloys Compd., 458, 253 (2008). 5. F. Carson, S. M. Lee and N. Vijayaragavan, IEEE Compt, Packag. Manuf. Technol. (CPMT), p. 737 (2007). 6. J. M. Koo, C. Y. Lee and S. B. Jung, J. Microelectron. Packag. Soc., 14(4), 71 (2007). 7. D. Chang, F. Bai, Y. P. Wang and C.S. Hsiao, Proc. 6th Electron. Packag. Technol. Conf. (EPTC), IEEE p. 149 (2004). 8. H. K. Lee, S. H. Son, H. Y. Lee and J. M. Jeon, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 40(1), 32 (2007) 9. M. Ding, G Wang, B. Chao, P. S. Ho, P. Su and T. Uehling, J. Appl. Phys., 99, (2006). 10. J. M. Kim, M. H. Jeong, S. H. Yoo and Y. B. Park, J. Electron. Mater. 41, 4 (2012) 11. J. M. Kim, M. H. Jeong, S. H. Yoo, C. W. Lee and Y. B. Park, Microelectronic Engineering, 89, 55 (2012) 12. S. H. Kim, J. M. Kim, S. H. Yoo and Y. B. Park, Curr. Appl. Phys., 13, S103 (2013) 13. S. H. Kim, J. M. Kim, S. H. Yoo and Y. B. Park, J. Microelectro. Packag. Soc., 19, 4 (2012) 14. J. H. Lee, Y. B. Park, J. Electron. Mater., 38, 10 (2009) 15. JESD22-B117A (Solder Ball Shear), JEDEC Standard, Jul. (2006). 16. G. T. Lim, B. J. Kim, K. W. Lee, J. D. Kim, Y. C. Joo, and Y. B. Park, J. Electron. Mater., 38, 2228 (2009). 17. Y. D. Lu, X. Q. He, Y. F. En, X. Wang, and Z. Q. Zhuang, Acta Mater., 57, 2560 (2009). 18. Y. H. Lin, Y. C. Hu, C. M. Tsai, C. R. Kao, and K. N. Tu, Acta Mater., 53, 2029 (2005). 19. Y. H. Lin, C. M. Tsai, Y. C. Hu, Y. L. Lin, and C. R. Kao, J. Electron. Mater., 34, 27 (2005). 20. J. H. Lee, G. T. Lim, S. T. Yang, M. S. Suh, Q. H. Chung, K. Y. Byun, and Y. B. Park, J. Kor. Phys. Soc., 54, 1784 (2009). 21. J. H. Lee and Y. B. Park, J. Electron. Mater. 38, 2194 (2009). 22. J. S. Zhang, Y. C. Chan, Y. P. Wu, H. J. Xi, and F. S. Wu, J. Alloys Compd., 458, 492 (2008). 23. R. Bauer, A.H. Fischer, C. Birzer, and L. Alexa, Proc. 61st Electron. Comp. Technol. Conf. (Lake Buena Vista, FL: IEEE, p. 317 (2011).

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< B9DABFB5B9E82E687770> [Research Paper] 대한금속 재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 55, No. 11 (2017), pp.798~805 DOI: 10.3365/KJMM.2017.55.11.798 798 전류밀도에따른플립칩 Sn-Ag 솔더범프의 Electromigration 손상기구분석 김가희 1 손기락 1 박규태 2 박영배 1, * 1