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1 무전해 두께와 Assembly Process 가 Solder Ball Joint 의신뢰성에미치는영향 이지혜 허석환 정기호 함석진 大韓熔接接合學會誌第 32 卷 3 號別冊

2 60 연구논문 ISSN Online ISSN 무전해 두께와 Assembly Process 가 Solder Ball Joint 의신뢰성에미치는영향 이지혜 * 허석환 *, 정기호 * 함석진 * * 삼성전기 ACI 사업부 Effects of the Electroless Thickness and Assembly Process on Solder Ball Joint Reliability Ji-Hye Lee*, Seok-Hwan Huh*,, Gi-Ho Jung* and Suk-Jin Ham* *ACI Division, Samsung Electro-Mechanics, Busan , Korea Corresponding author : shhuh12@gmail.com (Received April 9, 2014 ; Revised April 28, 2014 ; Accepted May 12, 2014) Abstract The ability of electronic packages and assemblies to resist solder joint failure is becoming a growing concern. This paper reports on a study of high speed shear energy of Sn-4.0wt%Ag-0.5wt% (SAC405) solder with different electroless thickness, with HNO 3 vapor s status, and with various pre-conditions. A high speed shear testing of solder joints was conducted to find a relationship between the thickness of deposit and the brittle fracture in electroless deposit/sac405 solder interconnection. A focused ion beam (FIB) was used to polish the cross sections to reveal details of the microstructure of the fractured pad surface with and without HNO 3 vapor treatment. A scanning electron microscopy (SEM) and an energy dispersive x-ray analysis (EDS) confirmed that there were three intermetallic compound (IMC) layers at the SAC405 solder joint interface: layer, (,) 2 SnP layer, and (,Sn) 3 P layer. The high speed shear energy of SAC405 solder joint with 3µm deposit was found to be lower in pre-condition level#2, compared to that of 6µm deposit. Results of focused ion beam and energy dispersive x-ray analysis of the fractured pad surfaces support the suggestion that the brittle fracture of 3µm deposit is the result of corrosion in the pre-condition level#2 and the HNO 3 vapor treatment. Key Words : High speed shear energy, Electroless, HNO 3 vapor treatment, corrosion 1. 서론 유기기판 (substrate) 표면처리의신뢰성은칩 / 기판 (chip/substrate) 와기판 / 메인보드 (substrate/ main board) 와의 interconnection 신뢰성에있어서매우중요한부문을차지한다. 기판의표면처리로균일한두께를갖고있는무전해 /immersion Au (ENIG) 도금은높은가격에도불구하고우수한솔더링성 (solderability) 과부식저항성등으로널리사용되고있다 1-6). 하지만우수한솔더링성에도불구하고 ENIG 도금은솔더와도금계면에형성되는금속간화 합물층의 spalling 현상의문제점과취성파괴현상이보고되고있다 1-5). ENIG 도금의취성파괴원인은 도금과솔더와의계면층에서의 P의편석, 무전해 도금의계면반응층에서의크랙 (crack) 과 void 의생성, immersion Au 도금조에서의 의 galvanic hyper-corrosion 등으로보고되고있다 7-9). ENIG 도금의취성파괴에대한대안으로무전해 / 무전해 Pd/immersion Au (ENEPIG) 의표면처리가제안되었고, 산업계에서도사용되고있다. 무전해 Pd 도금이첨가된표면처리는 ENIG 도금보다높은접합강도와접합신뢰성이보고되었다 9). 하지만어셈블리중의플럭스 (flux) 도포, 리플로 (reflow) 및디플럭스 (deflux) 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. Journal of Welding and Joining, Vol.32 No.3(2014) pp

3 무전해 두께와 Assembly Process 가 Solder Ball Joint 의신뢰성에미치는영향 61 공정의환경에서 ENEPIG 도금의접합신뢰성에대한데이터는많이없는실정이다. 본연구에서는칩어셈블리공정에의한스트레스를 modify 한시편전처리, 도금두께및부식부식환경을변화시켜솔더접합부의 high speed shear 특성변화를검토하였다. tric acid vapor Specimen 2. 실험방법 tric acid liquid 2.1 시편준비 Table 1은본연구에사용된시편과시편전처리, 샘플링크기및신뢰성평가법에대해나타내었다. 시편은무전해 도금층의두께를 2종류 (3µm, 6µm) 로만들고, 질산기상처리와시편전처리 (Precondition level#0, #1, #2) 에따른 high speed shear 영향도를평가하였다. 먼저, 시편제작은에폭시기반의유기기판에구리패드를 semi-additive process 로형성하고솔더리지스트잉크를도포한후, 리소그래피 (lithography) 방법으로 400 µm 직경의솔더리지스트오프닝 (solder resist opening) 을형성하였다. 솔더리지스트가 open 된구리패드에무전해 도금을두께 3, 6 µm 목표로도금하였다. 무전해 도금은탈지, 산세, 촉매, 그리고 도금순서로진행되었으며, 탈지는알카리탈지액을사용하여 50, 3분간처리하였으며, 산세는 10% 황산 (H 2 SO 4 ) 에상온, 10초간처리하였으며, 촉매는파라듐 (Pd) 촉매를위하여 Pd 농도 25mg/l 의 H 2 SO 4 base 용액을사용하여 30, 1분간처리하였다. 무전해 도금은상용중인 (middle phosphorous) 타입의 도금액을사용하여 80, 도금두께별로도금시간을달리하여두께를맞추었다. 솔더접합부의내취성파괴를위하여무전해 Pd 을 0.04µm 도금하고, 그후 도금층의산화와 solderability 를위하여 immersion Au 도금을 0.06 µm 하여시편 DI water (25 ) Hot plate Fig. 1 Schematic diagram for nitric acid vapor treatment 을준비하였다. 이렇게준비된시편에 Fig. 1의모식도와같이질산 (HNO 3 ) 기상처리를상온에서 150 분간처리하여시편을준비하였다. 질산기상처리는핫플레이트 (hot plate) 위의탈이온수 (deionized water) 내에서 60% 질산용액을비이커에담고 25 로중탕시키면서시편을기상화된질산에 150 분노출시켰다. 이는질산기상처리에따라 shear 에너지와불량모드를관찰하였고, 무전해 도금두께와시편전처리조건의영향도도같이평가하였다. 2.2 시편전처리및 high speed shear 평가 준비된 bare substrate 시편과후공정인칩어셈블리 (chip assembly) 공정에대한솔더볼 shear 에너지영향도를평가하기위하여시편전처리를 Fig. 2와같이설계하여진행하였다. 칩실장공정을고려하면기판에플럭스나솔더페이스트를도포하고칩붙임 (chip attaching) 과리플로를실시하였다. 그후플럭스제거를위하여디플럭스용액에서플럭스제거처리를하고세정및질소건조를실시한다. 이후공정은언더필레진 (underfill resin) 을도포하고경화 (curing) 하 Table 1 Target thickness of electroless and time of nitric acid vapor for each DOE condition thickness Sample condition Time of nitric acid vapor Sample pre-condition Sample size Test method 3um 6um Not available 150 min Not available 150 min Level #0, #1, #2 25 ball / pcs 5pcs High speed shear (2250mm/sec) Sample pre-condition level #0 (not available), level #1 (Deflux solvent at 80, DI water rinse, and air dry), level #2 (Reflow with 260 peak), Deflux solvent at 80, DI water rinse, N 2 baking for 2hr) 大韓熔接接合學會誌第 32 卷第 3 號, 2014 年 6 月 275

62 이지혜 허석환 정기호 함석진 /Pd/Au deposited on organic substrate Level #0 SAC405 Solder ball (500um diameter) Reflow with 260 peak temperature Dipping in deflux solvent (DI water : Flux = 4:1, 80 / 1200 sec)

04µm)/ Immersion gold (0.06µm) Dry with air gun (30 sec) Baking with N 2 (125, 2hr) Epoxy resin (with 18vol% Si) High speed shear test Fig.

4 62 이지혜 허석환 정기호 함석진 /Pd/Au deposited on organic substrate Level #0 SAC405 Solder ball (500um diameter) Reflow with 260 peak temperature Dipping in deflux solvent (DI water : Flux = 4:1, 80 / 1200 sec) Rinse in DI water (25, 60 sec) Level #1 Level #2 Solder resist opening size (400um diameter) Solder resist (21um thickness) Copper (15um thickness) ckel phosphate (3, 6µm)/ Palladium (0.04µm)/ Immersion gold (0.06µm) Dry with air gun (30 sec) Baking with N 2 (125, 2hr) Epoxy resin (with 18vol% Si) High speed shear test Fig. 2 Procedure of sample pre-condition treatment 여칩어셈블리공정을마무리한다. 이러한칩어셈블리공정의솔더볼 shear 에너지를평가할목적으로시편전처리를모사하여 pre-condition level #0, level #1, level #2 로진행하여솔더볼을실장후, high speed shear 평가를진행하였다. 시편전처리는 pre-condition level #0 ( 미처리기판 ), pre-condition level #1 ( 디플럭스용액내 1200 초침적 흐르는탈이온수로 60초간세정 에어건 (air gun) 으로건조 ), precondition level #2 (260 피크온도의리플로 디플럭스용액내 1200 초침적 흐르는탈이온수로 60 초간세정 에어건으로건조 질소 (N 2 ) 분위기의 2시간건조 ) 으로 Fig. 2에나타내었다. High speed shear 평가를진행하기위해서시편전처리가끝난시편에메탈마스크를이용하여 RMA 타입의플럭스 (Kester) 를도포하고솔더볼실장의위치정확도를높이기위하여볼실장용메탈마스크를제작, 사용하여직경 500µm 의 Sn-4.0wt%Ag-0.5wt% (SAC405) 솔더볼을실장하였다. 이후 260 피크온도의리플로프로파일로솔더링을진행하였으며, 플럭스제거를위하여 isopropyl alcohol (IPA) 에서 5분간초음파세척하여상온에서에어건으로건조하였다. Fig. 3은 high speed shear 평가시편의단면모식도와 SAC405 솔더볼실장후의단면 scanning electron microscopy (SEM) 사진이다. High speed shear 평가는 dage4000hs (Dage, England) 를이용하여전단속도 2250mm/sec 로 shear 평가를진행하였다. 전단속도는파단모드에따른 cliff point 를전단속도별로평가하여구하였다 12,17,20). Fig. 4는솔더볼실장과플럭스제거가완료된시편의광학현미경사진으로, high speed shear 평가의용이성을 Fig. 3 Schematic diagram and vertical section SEM image of high speed shear test board different thickness Fig. 4 Optical microscopy image for a high speed shear test board 위하여시편당 25개솔더볼을외각에서 3번째열에실장하였으며, 총 5개시편평가를진행하였다. 파단모드분석은솔더볼 shear 후에광학현미경을이용하여 Fig. 5에보여진파단모드분류정의에따라분류하였다. Ductile 모드는패드면적의 100% 솔더가남은모드, quasi-ductile 모드는금속간화합물 (IMC) 이패드면적의 50% 이하인모드, quasi-brittle 모드는 IMC 가패드면적의 50% 이상인모드, brittle 모드는 IMC 가패드면적의 100% 인모드로정의하였다 12). 솔더접합계면과파단면은 Ar ion milling system (TIC 3x, Leica, Germany), field emission scanning 276 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 3, 2014

무전해 두께와 Assembly Process 가 Solder Ball Joint 의신뢰성에미치는영향 63 Fig. 5 Failure modes after high speed shear tests 12).

exposed pad, and brittle mode (almost no solder lift) electron microscopy와 energy dispersive x-ray spectrometry (Supra 40VP, Zeiss, Germany) 를이용하여분석하였고, 미세계면분석을위하여 focused ion beam (Quanta200, FEI,

질산기상처리하지않은시편의 shear 에너지를보면, 시편전처리 level#0 와 level#1에따른 도금두께의 high speed shear 에너지는평균 3.35 ~ 3.66mJ 의값을나타냈으며통 Level#0 Level#1 Level#2 Non-HNO 3 vapor 3 6 thickness (µm) HNO 3 vapor Fig.

질산기상처리를한시편의 shear 에너지를보면, 3µm 시편의 shear 에너지 ( 평균 1.84mJ) 는 6µm 시편의 shear 에너지 ( 평균 2.53mJ) 보다약 0.7mJ 낮은에너지을나타내었고, 이는질산기상처리하지않은시료와는달리, 질산기상처리한시료에서는 도금두께가낮을수록 high speed shear 에너지에취약한특징을나타내고있다.

5 무전해 두께와 Assembly Process 가 Solder Ball Joint 의신뢰성에미치는영향 63 Fig. 5 Failure modes after high speed shear tests 12). Dotted lines indicate partially exposed pad surface:ductile mode (100% area with solder lift), quasi-ductile mode (less than 50% area with exposed pad), quasibrittle mode (more than 50% area with exposed pad, and brittle mode (almost no solder lift) electron microscopy와 energy dispersive x-ray spectrometry (Supra 40VP, Zeiss, Germany) 를이용하여분석하였고, 미세계면분석을위하여 focused ion beam (Quanta200, FEI, Netherlands) 을이용하였다. Work of ball shear (mj) 실험결과및고찰 유기기판의무전해 도금두께, 질산기상처리, 및시편전처리에따른 high speed shear 평가결과를 Fig. 6에나타내었다. 질산기상처리하지않은시편의 shear 에너지를보면, 시편전처리 level#0 와 level#1에따른 도금두께의 high speed shear 에너지는평균 3.35 ~ 3.66mJ 의값을나타냈으며통 Level#0 Level#1 Level#2 Non-HNO 3 vapor 3 6 thickness (µm) HNO 3 vapor Fig. 6 Work of ball shear for various thicknesses of deposit using high speed shear test 계적유의차는없었다. 하지만시편전처리 lever#2 에서는 6um 시편대비 3um 시편에서 2.72mJ 로낮은에너지를나타내었다. 질산기상처리를한시편의 shear 에너지를보면, 3µm 시편의 shear 에너지 ( 평균 1.84mJ) 는 6µm 시편의 shear 에너지 ( 평균 2.53mJ) 보다약 0.7mJ 낮은에너지을나타내었고, 이는질산기상처리하지않은시료와는달리, 질산기상처리한시료에서는 도금두께가낮을수록 high speed shear 에너지에취약한특징을나타내고있다. Lee 등은 도금의 morphology 에따른부식특성을연구하였으며, 여기서 도금의조도 (roughness) 가클수록부식에취약한특성을나타낸다고보고하였다 11). 질산기상처리한시편과질산기상처리를하지않은시편과의 high speed shear 에너지의차이는약 1.16mJ 이발생하지만, 도금두께에따른영향을보면, 3µm 시편의에너지차이는 1.37mJ 이고, 6µm 시편의에너지차이는 0.96mJ 로나타나고있다. 정리하면, 질산기상처리하지않은시편에서는 3µm 도금에서 pre-condition level#2 의영향을크게받아서 high speed shear 에너지가낮게나왔으며, 시편에질산기상처리로인해평균 1mJ 이상의 high speed shear 에너지가낮게나왔으며, 특히 도금두께가낮은 3µm 에서 6µm 보다더낮은에너지값을보였다. 이는 6µm 도금시편보다는 3µm 도금시편에서질산기상처리와시편전처리에따른 high speed shear 에너지의영향도가크다는것으로, 다시말해서 3µm 도금시편이외부환경스트레스에의한취약성이크다는의미이다. Fig. 6의 high speed shear 에너지와연계하여불량모드를분석한데이터를 Fig. 7에나타내었다. Fig. 7은 quasi-brittle 모드와 brittle 모드의점유율을나타내었으며, 질산기상처리하지않은시편에서는시편전처리 level#2 의 quasi- 와 brittle 모드의점유율이 level#0 와 level#1 에비해높게나타났고, 특히 3µm 도금시편에서 43% 의 quasi- 와 brittle 모드가발생하였다. 질산기상처리한시편에서의 quasi- 와 brittle 모드점유율이질산기상처리하지않은시편에비해높게나타났고, 질산기상처리하지않고시편전처리 level#2의 3µm 도금시편 (43.2%) 은질산기상처리하고시편전처리 level#2 인 3µm - P 도금시편의 quasi-와 brittle 모드 (44.8%) 와거의같은점유율을나타내었다. 이는 3µm 도금시편에서시편전처리 level#2 의스트레스가 high speed shear 에너지와유사하게 quasi- 와 brittle 모 大韓熔接接合學會誌第 32 卷第 3 號, 2014 年 6 月 277

64 이지혜 허석환 정기호 함석진 Ratio of quasi-brittle and brittle failure mode (%) Ratio of quasi-brittle and brittle failure mode (%) 50% 40% 30% 20% 10% 0% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 3 6 thickness ( μm ) Level#0

6 64 이지혜 허석환 정기호 함석진 Ratio of quasi-brittle and brittle failure mode (%) Ratio of quasi-brittle and brittle failure mode (%) 50% 40% 30% 20% 10% 0% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 3 6 thickness ( μm ) Level#0 Level#1 Level#2 3 6 thickness ( μm ) Level#0 Level#1 Level#2 Fig. 7 Quasi-brittle and brittle failure mode proportion for samples with HNO 3 vapor and without HNO 3 vapor using high speed shear test as a function of thickness 드에높은영향을미치고있음을나타낸다. Quasi- 와 brittle 모드의점유율은질산기상처리와시편전처리 level#2 의영향을받고있음을알수있다. 본연구에서사용된질산기상처리유무, 시편전처리 level#2 와 두께변화시편의계면미세조직을분석하기위하여 Fig. 8에단면 SEM 이미지를나타내었다. Fig. 8(a,b) 는질산기상처리하지않은시편의 도금두께에따른 SAC405 solder 와 도금의단면 SEM 이미지로, 시편전처리와 도금두께에따른금속간화합물 (IMC) 와미세조직의차이는관찰할수없었다. 약 2~3µm 두께의 금속간화합물이 SAC405 솔더와 도금사이에 plate-like 형상으로생성되었으며, SAC405 solder 내부에는 Ag 3 Sn 금속간화합물관찰되었다. Augustin 등의보고에따르면 SAC405 은과공정조성으로리플로후냉각시 Ag 3 Sn이먼저생성되고이후에공정점인 217 근처에서 Sn dendrite 조직과공정조직이같이생성된다 13-15,18,19). Fig. 8(c,d) 는질산기상처리한시편의시편전처리와 도금두께에따른 SAC405 솔더와 도금의단면 SEM 이미지로, 미세조직상의차이는관찰할수없었다. Fig. 8(a,b) 와마찬가지로약 2~3um 의금속간화합물과 SAC405 솔더내에 Ag 3 Sn 금속간화합물이관찰되었다. Fig. 9는기계적연마에따른영향을최소화하여계면미세조직과금속간화합물관찰을위하여단면아르곤이온밀링 (Ar ion milling) 장치를이용하여단면가공후 SEM 분석이미지를나타내었다. Fig. 9 는시편전처리 level#2 처리한 3µm 도금시편의 SAC405 void (,) 2 SnP (,Sn) 3 P void 1µm (,Sn) 3 P void 1µm Sn (,) 2SnP (,Sn) 3P P P Sn Sn Fig. 8 Interfacial SEM images between SAC405 solder and deposit for specimens attached solder ball as a function of thickness and with and without HNO 3 vapor treatment: 3µm and without HNO 3 vapor, 6µm and without HNO 3 vapor, 3µm and with HNO 3 vapor, and 6µm and HNO 3 vapor, respectively Fig. 9 Interfacial SEM images between SAC405 solder and deposit for 3µm deposit specimens attached solder ball with or without HNO 3 vapor treatment: level#2 and without HNO 3 vapor level#2 and with HNO 3 vapor, respectively. EDS analysis (c, d) indicated (,) 2 SnP and (,Sn) 3 P, respectively 278 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 3, 2014

무전해 두께와 Assembly Process 가 Solder Ball Joint 의신뢰성에미치는영향 65 SEM 이미지로, 금속간화합물과, 도금층사이에는 2층의금속간화합물이추가관찰되었으며, EDS 분석결과로 2층의금속간화합물은 (,)

Sohn 과 Park 등에따르면, 무전해 금속층과무연 (lead-free) 솔더간의금속간화합물은, (,) 6 Sn 5, 3 SnP, 2 SnP, (,Sn) 3 P로보고하였으며 2,16), 본연구에서는, (,) 2 SnP와 (,Sn) 3

9 는질산기상처리와시편전처리 level#2 처리한 3µm 도금시편의 SEM 이미지로, Fig. 9 와동일한 3종의금속간화합물관찰되었으나, 많은양의공극 (void) 가 (,) 2 SnP와 (,Sn) 3 P 금속간화합물에서관찰되었다.

6µm 도금시편에서는시편전처리유무와관계없이솔더내에서연성파괴가관찰되었고, 파단면에딤플이 high speed shear 방향으로길게늘어져있는것을관찰할수있다. 이에비해시편전처리 level#2와 3µm 도금시편 (Fig.

10 Fracture SEM images for specimen without HNO 3 vapor after high speed shear test as a function of thickness and precondition:

Fig. 11 Fracture SEM images for specimen with HNO 3 vapor after high speed shear test as a function of thickness and precondition:

9 에서와같이 (,) 2 SnP와 (,Sn) 3 P 금속간화합물에서의공극 (void) 가취성파괴의원인인자로판단되며, 이는질산기상처리하지않은 3µm 도금시편의 high speed shear 에너지의저하원인으로판단된다. Fig.

11(a, b)) 에서는딤플과 부식이함께관찰되었고, 부식주변에서는취성파괴의흔적이보인다. Fig.

7 무전해 두께와 Assembly Process 가 Solder Ball Joint 의신뢰성에미치는영향 65 SEM 이미지로, 금속간화합물과, 도금층사이에는 2층의금속간화합물이추가관찰되었으며, EDS 분석결과로 2층의금속간화합물은 (,) 2 SnP 와 (,Sn) 3 P로판단되었다. Sohn 과 Park 등에따르면, 무전해 금속층과무연 (lead-free) 솔더간의금속간화합물은, (,) 6 Sn 5, 3 SnP, 2 SnP, (,Sn) 3 P로보고하였으며 2,16), 본연구에서는, (,) 2 SnP와 (,Sn) 3 P 금속간화합물 3종이관찰되었다. 금속간화합물 (,) 2 SnP와 (,Sn) 3 P 에서공극 (void) 가관찰되었으며, 이는시편전처리 level#2 에의한영향으로판단된다. Fig. 9 는질산기상처리와시편전처리 level#2 처리한 3µm 도금시편의 SEM 이미지로, Fig. 9 와동일한 3종의금속간화합물관찰되었으나, 많은양의공극 (void) 가 (,) 2 SnP와 (,Sn) 3 P 금속간화합물에서관찰되었다. 이는질산기상처리에의한 부식 (corrosion) 에의한것으로판단된다. Fig. 10과 11은 high speed shear 평가를진행한시편의파단면 SEM 이미지를나타내었다. Fig. 10은질산기상처리하지않은시편의시편전처리와 도금두께에따른 high speed shear 평가후파단면을관찰하였다. 6µm 도금시편에서는시편전처리유무와관계없이솔더내에서연성파괴가관찰되었고, 파단면에딤플이 high speed shear 방향으로길게늘어져있는것을관찰할수있다. 이에비해시편전처리 level#2와 3µm 도금시편 (Fig. 10) 은취성파괴가관찰되었고, 계면금속간화합물 이관찰되었다. 이는시편전처리 level#2 의 stress 에의 Fig. 10 Fracture SEM images for specimen without HNO 3 vapor after high speed shear test as a function of thickness and precondition: 3µm, level#0, 6µm, level#0, 3µm, level#2, and 6µm, level#2, respectively Dimple corrosion corrosion corrosion SAC405 solder Dimple Fig. 11 Fracture SEM images for specimen with HNO 3 vapor after high speed shear test as a function of thickness and precondition: 3µm, level#0, 6µm, level#0, 3µm, level#2, and 6µm, level#2, respectively 한취성파괴로 금속간화합물과 도금층사이에서파단이일어났음을알수있다. Fig. 9 에서와같이 (,) 2 SnP와 (,Sn) 3 P 금속간화합물에서의공극 (void) 가취성파괴의원인인자로판단되며, 이는질산기상처리하지않은 3µm 도금시편의 high speed shear 에너지의저하원인으로판단된다. Fig. 11은질산기상처리한시편의시편전처리와 도금두께에따른 high speed shear 평가후파단면을관찰하였다. 질산기상처리한모든시편의파단면에서 입계에발생한 부식 (corrosion) 을관찰할수있었으며, 시편전처리 level#0 시편 (Fig. 11(a, b)) 에서는딤플과 부식이함께관찰되었고, 부식주변에서는취성파괴의흔적이보인다. Fig. 11 의시편전처리 level#0와 6µm 도금시편은 SAC405 솔더r의실장리플로때에 부식에의한가스분출로 solder 내의공극 (void) 가생성되어 high speed shear 평가에의해공극 (void) 에서의파괴가일어난것을알수있다. 시편전처리 level#2 시편의파단면 (Fig. 11(c,d)) 에서는계면금속간화합물 와 도금층및 부식이관찰되었으며, 이는시편전처리와질산기상처리에의한영향으로판단된다. 질산기상처리한시편의 high speed shear 에너지감소영향은질산기상처리에의한 도금의부분적인 부식이영향으로판단된다. 파단면의상세한단면분석을위하여 FIB 분석을시행하여 Fig. 12에나타내었다. Fig. 12 (a,b) 는질산기상처리하지않은시편전처리 level#2 와 3um - 大韓熔接接合學會誌第 32 卷第 3 號, 2014 年 6 月 279

66 이지혜 허석환 정기호 함석진 Pt deposition 2µm Fracture line -Sn-P 5µm Gap between solder resist and solder, and crack FIB etching & view F Pt deposition corrosion 2µm -Sn-P Fracture line corrosion 5µm Solder

12 Fracture SEM images (a, c) and its FIB images (b, d) for 3µm thickness of deposit and pre-condition level#2 using high speed shear test as a function of HNO 3 vapor treatment: without HNO 3 vapor

$The dotted line in FIB image shows the interfacial fracture direction after the high speed shear test P 도금시편의파단면 SEM 과 FIB 이미지로, EDS 분석결과로부터 도금층과 금속간화합물로판명되었으며, FIB 이미지에서파단을점선으로표시하였으며, 과 -Sn-P$ 파단은 와 -Sn- P 금속간화합물사이에서일어났으며, 질산기상처리에따른 부식이 -Sn-P 금속간화합물의취성파괴에영향을주었음을알수있다. K. Pun 등은 drop test의결과로써 3µm 도금의불량발생율이높은이유로솔더리지트 (solder resist) 와 두께의구조상의원인을제시하고있다 10). Fig.

파단은 와 -Sn- P 금속간화합물사이에서일어났으며, 질산기상처리에따른 부식이 -Sn-P 금속간화합물의취성파괴에영향을주었음을알수있다. K. Pun 등은 drop test의결과로써 3µm 도금의불량발생율이높은이유로솔더리지트 (solder resist) 와 두께의구조상의원인을제시하고있다 10). Fig.

13 는질산기상처리하지않은 3µm 도금시편의 high speed shear 평가후의파단면 SEM 이미지이다. SEM 이미지의하부에서상부로 shear 평 Void Crack Fig.

8 66 이지혜 허석환 정기호 함석진 Pt deposition 2µm Fracture line -Sn-P 5µm Gap between solder resist and solder, and crack FIB etching & view F Pt deposition corrosion 2µm -Sn-P Fracture line corrosion 5µm Solder resist (SR) Fig. 12 Fracture SEM images (a, c) and its FIB images (b, d) for 3µm thickness of deposit and pre-condition level#2 using high speed shear test as a function of HNO 3 vapor treatment: without HNO 3 vapor treatment (a, b) and with HNO 3 vapor treatment (c, d). The dotted line in FIB image shows the interfacial fracture direction after the high speed shear test P 도금시편의파단면 SEM 과 FIB 이미지로, EDS 분석결과로부터 도금층과 금속간화합물로판명되었으며, FIB 이미지에서파단을점선으로표시하였으며, 과 -Sn-P 금속간화합물에서파단이일어났음을알수있다. 금속간화합물내의파단부분은남겨진금속간화합물의높이가 1um 이하로나타났다. 또다른금속간화합물이남아있지않은부분은 와 -Sn-P 금속간화합물에서파단이일어난것을알수있다. Fig. 12 (c,d) 는질산기상처리한시편전처리 level#2 와 3µm 도금시편의파면 SEM 과 FIB 이미지로, 도금층내에 부식이관찰되었다. 파단은 와 -Sn- P 금속간화합물사이에서일어났으며, 질산기상처리에따른 부식이 -Sn-P 금속간화합물의취성파괴에영향을주었음을알수있다. K. Pun 등은 drop test의결과로써 3µm 도금의불량발생율이높은이유로솔더리지트 (solder resist) 와 두께의구조상의원인을제시하고있다 10). Fig. 6에서보면, 본연구에서질산기상처리하지않은시편의 high speed shear 평가에서 3µm 도금시편의 shear 에너지의감소를확인할수있는데구조상의원인을확인하기위하여파단면의가장자리와솔더리지스트 (solder resist) 와의경계면을 FIB 분석하였다. Fig. 13 는질산기상처리하지않은 3µm 도금시편의 high speed shear 평가후의파단면 SEM 이미지이다. SEM 이미지의하부에서상부로 shear 평 Void Crack Fig. 13 Fracture SEM image and its FIB image for 3µm thickness of sample and pre-condition level#2 using by high speed shear test 가가이루어졌고, 그로인한솔더리지스트와솔더간의틈을확인할수있었다. 솔더리지스트와 도금층간의구조상원인이크랙 (crack) 발생을제공했는지확인하기위하여 Fig. 13 에 FIB 이미지를나타내었다 (Fig. 13 의 FIB 에칭영역표시 ). 솔더리지스트의경사 (slope) 는 90도로형성되어있으며, 도금층과 도금층사이에공극 (void) 가관찰되었다. 도금층과솔더리지스트사이에크랙이관찰되었으며, 이크랙에의한취성파괴의흔적은찾을수없었다. 즉크랙이 도금과금속간화합물사이의취성파괴를유도한증거를찾을수없었고, 또 도금층의가장자리에솔더볼의 solderability 저하현상도관찰할수없었다. 이로인해솔더리지스트와 - P 도금두께와의구조적원인이취성파괴를일으켰다고는말할수없다. 4. 결론 도금두께와질산기상처리에의해제작된시편들의칩어셈블리공정을고려한시편전처리별 high speed shear 평가에미치는영향을조사하여다음과같은결론을얻었다. 1) SAC405 솔더와무전해 도금의리플로처리후생성되는계면금속간화합물은, (,) 2 SnP, (,Sn) 3 P 로관찰되었다. 2) 질산기상처리하지않은시편전처리 level#2 와 280 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 3, 2014

9 무전해 두께와 Assembly Process 가 Solder Ball Joint 의신뢰성에미치는영향 67 3um 도금시편에서 2.72mJ 의낮은 high speed shear 에너지가나왔으며, 이는시편전처리 level#2 의스트레스가 와 -Sn-P 금속간화합물간의취성파괴의원인으로판단된다. 3) 질산기상처리는약 1mJ 이상의 shear 에너지감소를초래하였으며, 이는 도금의 부식을유발하여 와 -Sn-P 금속간화합물의취성파괴를일으켰다. 4) 질산기상처리와시편전처리별 High speed shear 에너지에있어서 도금두께의영향은 - P도금두께가낮은 3µm에서많은 shear 에너지감소를나타내었다. 이는 3µm 도금의 부식발생의취약성과이로인한취성파괴가원인이다. 5) 도금두께의증가 (3µm 6µm) 는 SAC405 솔더접합부의접합강도를개선한다. Reference 1. D. llen, E. Huenger, M. Toben, B. Houghton and K. Johal: A study on interfacial fracture phenomenon of solder joints formed using the electroless nickel/ immersion gold surfaces finish, Proc. IPC works 2000, s03 (2000) 2. Y. C. Sohn, and J. Yu: Correlation between interfacial reaction and brittle fracture found in elecroless (P) metallization, J. Microelectro. & Packag. Soc., 12-1, (2005), Z. Mei, M. Kauffmann, A. Eslambolchi and P. Jonson, Brittle interfacial fracture of PBGA packages on electroless /immersion Au, Proc. 48 th Electronics Component and Technology Conference, (1998), G.M. Wenger, R. J. Coyle, P. P. Solan, J. K. Dorey, C. V. Dodde, R. Erich and A. Primavera, Case studies of brittle interfacial fractures in area array solder intercommnects, Proc. 26 th International Symposium for testing and failure analysis, (2000), T. I. Eijim, D. B. Hollesen, A. Holliday, S. A. Gahr and R. J. Coyle: Assembly and reliability of thermally enhanced high I/O BGA packages, Proc. 21 th IEEE International Electronics Manufacturing Symposium, (1997), J. W. Jang, D. R. Frear, T. Y. Lee and K. N. Tu: Morpholgy of interfacial reaction between lead-free solders and electroless under bump metallization, J. Appl. Phys., (2000), D. Goyal, T. Lane, P. Kinzie, C. Panichas, K. M. Chong and O. Villalobos: Failure mechanism of brittle solder joint fracture in the presence of electroless immersion gold (ENIG) interface, Proc. 52 nd Electronic Component and Technology Conference, (2002), K. Zeng, R. Stierman, D. Abbott and M. Murtuza: The root cause of black pad failure of solder joints with electroless /immersion gold plating, JOM, (2006), D. G. Lee, T. J. Chung, J. W Choi, S. H. Huh, S. J. Cho, Y. J. Yoon and B. Y. Min: New surface finish of the substrate for the flip chip packaging, SEMICON Korea 2007, (2007), K. Pun, P. L. Eu, M. N. Islam and C. Q. i: Effect of layer thickness on intermetallic formation and mechanical strength of Sn-Ag- solder joint, 10 th Electronics Packaging Technology Conference, IEEE, (2008), D. J. Lee, S. H. Huh, S. J. Mun, C. Kang, J. W. Choi, C. S. Kim, S. H. Hwang, J. Y. Pang, H. S. Chu and H. J. Lee: Corrosion behavior of electroless nickel/immersion gold plating by interfacial morphology, Electron. Mater. Lett., in progress 12. S. H. Huh, K. D. Kim and K. S. Kim: A novel high speed shear test for lead free flip chip package, Electron. Mater. Lett., 8-1 (2012), R. Augustin, R. Koleňák, M. Martinkovič, and M. Provazník: Influence of 0.1%Al on the properties of the SAC405 lead-free solder alloy, Proc. World Congress on Engineering 2012, (2012), On-line 14. K. W. Moon, W. J. Boettinger, U. R. Kattner, F. S. Biancaniello, and C. A. Handwerker: Experimental and thermodynamic assessment of Sn-Ag- solder alloys, J. Electron. Mater., 29 (2000), P. Limayel, R. Labiel, B. Vandeveldel, D. Vandepitte, and B. Verlinden: Creep behavior of mixed SAC405/ SnPb soldered assemblies in shear loading, 9th Electronics Packaging Technology Conference, Singapore, (2007), M. H. Park, E. J. Kwon, H. B. Kang, S. B. Jung, and C. W. Yang: TEM study on the interfacial reaction between electroless plated /Au UBM and Sn- 3.5Ag solder, Metals and Materials international, 13 (2007), J. W. Yoon, J. W. Kim, J. M. Koo, S. S. Ha, B. I. Noh, W. C. Moon, J. H. Moon, and S. B. Jung: Flipchip bonding technology and reliability of electronic packaging, J. KWJS, 25 (2007), I. Y. Lee, C. B. Lee, S. B. Jung, and C. J. Seo: Growth kinetics of intermetallic compound on Sn-3.5Ag/, pad solder joint with isothermal aging, J. KWS, 20 (2002), C. B. Lee, C. Y. Lee, C. J. Seo, and S. B. Jung: The growth kinetics of intermetallic compound layer in lead-free solder joints, J. KWS, 20 (2002), S. S. Ha, J. W. Kim, J. H. Chae, W. C. Moon, T. H. Hong, C. S. Yoo, J. H. Moon, and S. B. Jung: Thermo-mechanical reliability of lead-free surface mount assemblies for auto-mobile application, J. KWS, 24 (2006), 大韓熔接接合學會誌第 32 卷第 3 號, 2014 年 6 月 281

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08-49(2)-수정.hwp 51 ISSN 2466-2232 Online ISSN 2466-2100 0.1 μm Ni 두께를가지는얇은 ENEPIG 층과 -3.0Ag-0.5 솔더와의계면반응및접합강도 백종훈 *,** 유세훈 *,*** 한덕곤 **** 정승부 ** 윤정원 *,***, * 한국생산기술연구원뿌리산업기술연구소용접접합그룹 ** 성균관대학교신소재공학과 *** 과학기술연합대학원대학교희소소재및반도체패키징공학