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민혁 아
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2 기술해설 Sn-Ag 계무연솔더및표면처리종류에따른계면특성 Interfacial Properties with Kind of Surface Finish and Sn-Ag Based Lead-free Solder Jae-Ean Lee, Ho-Jin Kim, Young-Kwan Lee and Young-Sik Choi Proportion (%) 1.

1 2 기술해설 Sn-Ag 계무연솔더및표면처리종류에따른계면특성 Interfacial Properties with Kind of Surface Finish and Sn-Ag Based Lead-free Solder Jae-Ean Lee, Ho-Jin Kim, Young-Kwan Lee and Young-Sik Choi Proportion (%) 1. 서론 인쇄회로기판 (PCB: Printed Circuit Board) 에서표면처리 (surface finish) 공정은전해 (electro-) 및무전해도금 (electroless plating) 이현재까지주류를이어왔다. 이러한표면처리공정은후속공정인범핑공정에서솔더젖음성 (wettability) 에큰영향을미치는인자이며, 최종적으로는솔더접합신뢰성 (SJR: Solder Joint Reliability) 에영향을미치게된다. 27년도일본전자정보기술산업협회 (JEITA: Japan Electronics and Information Technology Industries Association) 의표면처리 roadmap 을인용하면, 28년기준, 일본전자패키지산업에서의표면처리방법은전해및무전해도금이전체의 6% 이상을점유하고있다. 향후전해도금에비해무전해도금이차지하는비율은점차증가될추세이다. 무전해도금은전류밀도에의한영향이없기때문에균일한도금막을얻을수있는장점이있다. 한편, 고가인 Au의사용을 전해금도금무전해금도금유연솔더 ( 도금또는인쇄 ) 무연솔더 ( 도금또는인쇄 ) 방청처리기타 줄이기위해 pre-solder 및유기방청제 (OSP: Organic Solderability Preservative) 등이증가하는추세이다. 212년에는납이함유된표면처리기술은단계적폐지 (phase-out) 가될예정으로있다. 현재기판산업의주류를이루었던 BGA(Ball Grid Array) 및 FCBGA(Flip Chip Ball Grid Array) 은 ENIG(Electroless Ni/Immersion Au) plating 에서 ENEPIG(Electroless Ni/Electroless Pd/Immersion Au) plating 으로변화되고있다. 이러한변화는기존의 ENIG plating 의경우, Au 표면에 Ni이용출되는 black pad 현상을방지하기위한대책에서기인된다. Pd layer 가 Ni layer 위에도금되어 Ni 원소의 Au 표면으로의이동을효과적으로억제할수있었다. 한편, LGA(Land Grid Array) type의경우, 업그레이드및교체가가능한형태로발전되어왔다. 따라서, 반복적인마찰로인한 pad와 LGA socket과의접속손상 (contact damage) 을감소시키기위해 ENIG 위에무전해두께도금을한 ENIG+EG(Electroless Ni/Immersion Au + Electroless Au) 로변화되었다. 그외에도 immersion Ag, immersion Sn 등이사용되어오고있지만, Ag의경우고가이며, Sn의경우 whisker growth에따른신뢰성저하로인해실용적인측면에서제한적이다. Year Fig. 1 Surface finish roadmap through JEITA enquete in Japan (packaging substrate: build-up structure) 1) Fig. 2 LGA type substrate and socket 2 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 29

2 Sn-Ag 계무연솔더및표면처리종류에따른계면특성 21 Heat flow ( /g) Sn-3.Ag-.5Cu Table 1 Basic role of each layer by surface finish Element ENEPIG ENIG+EG Au Pd Ni Wetting layer Oxidation prevention layer Ni diffusion barrier layer Joining layer Cu diffusion barrier layer Fig. 3 DSC endothermic peak of and Sn-3.Ag-.5Cu alloy 한편, 26 년 7 월 1 일부로발효된 EU 의전기전자기기 의특정유해물질사용규제지령 (RoHS; Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment) 에따르면 플립칩 C4(Controlled Collapse Chip Connection) 접속용 solder 는규제제외항목이지만, 전자패키징에 사용되는유해물질에대한환경적부하와인체유해성문제가대두됨에따라 lead solder(sn-pb) 에서 leadfree solder(sn-ag, Sn-Ag-Cu system, etc.) 로전환해오고있다. 본고에서는현재주류를이루고있는 lead-free 합금계특성및표면처리종류 (ENEPIG, ENIG+EG plating) 에따른접합계면현상에대하여소개하고자한다. 2. Sn-Ag 계무연솔더및표면처리 각합금의기본적인열적특성을보기위해 DSC (Differential Scanning Calorimetry) 결과를 Fig. 3에나타내었다. 기본적으로 lead-free solder 합금 (, Sn-3.Ag-.5Cu) 의융점은 Sn-37Pb Immersion Au (.6 um) Electroless Pd (.4 um) Electroless Ni (7 um) Cu land Electroless Au (.325 um) + Immersion Au (.75 um) Electroless Ni (7.5 um) Cu land Fig. 4 Schematic illustration of each plating layer structure; ENEPIG and ENIG+EG plating Ag Atomic percent tin Weight percent tin Fig. 5 Sn-Ag binary phase diagram 2) 합금의융점 183 에비해상대적으로약 3~4 정도높다. 열적인측면에서보면 Sn-3.Ag-.5Cu 합금은 합금에비해상대적으로 4 정도낮은융점의실현이가능하다 (217 ). 가격적인측면에서도 합금에비해상대적으로 Ag 함유량이적은 Sn-3.Ag-.5Cu합금이경제적이라고할수있겠다. 본연구에사용된시료의표면처리구조및각도금층의역할에대하여 Fig. 4 및 Table 1에각각나타내었다. 2.1 Fundamental properties of and Sn-3.Ag-.5Cu alloys Sn-Ag binary alloy Sn-Ag 합금계는전형적인공정조성 (eutectic composition) 을가지고있으며, 공정조성은 (Sn-3.8at%Ag), 공정온도는 221 를나타낸다. Sn- Ag합금의경우, Sn-Pb 합금에서두원소간상호고용도를가지는것과는달리 Sn 원소중에 Ag원소가거의고용되지않는다. 상태도에서나타낸바와같이조직상은공정조성의 β-sn 및 ε-ag 3Sn상으로구성된다. Sn-Pb 합금의라멜라구조 (lamella structure) 와는달리 ε-ag 3Sn상은 β-sn 상을매트릭스로해서섬유상 (fabric type) 으로분산되어있으며, 그전형적인조직 Sn 大韓熔接接合學會誌第 27 卷第 1 號, 29 年 2 月 21

3 22 ε-ag 3 Sn/β-Sn 24 Sn-3.Ag β-sn 21 L+ β Sn L+ η L+β Ag 3 Sn L+ η+ β -Sn Ag 3 Sn+ β Sn+η Fig. 6 Microstructure of alloy 3,4) 구조를 Fig. 6 에나타내었다. ε-ag 3Sn 상은안정한화합물로알려져있으며, 한번 생성되면고온방치되더라도조대화 (coarse) 되지않기 때문에 합금은내열성이양호하다고할수 있다. 또한, 이러한 1um 이하의미세한분산 ε-ag 3Sn 상의특징으로인한분산강화효과 (dispersed Table 2 Recommend Sn-Ag-Cu alloy composition by each nation 5-8) Nation Organization Recommend alloy composition U.S. NEMI Sn-3.9Ag-.65Cu (NEMI alloy) U.K. ITRI Sn-(3.14~4.1)Ag-(.45~.9)Cu EU IDEALS Sn-3.8Ag-.7Cu Japan JEITA Sn-3.8Ag-.5Cu strengthen effect) 로인해기계적강도가공정조성인 3.5wt%Ag 에서가장뛰어나다. 과공정 (hypereutetic) 조성인 4.wt%Ag 조성이될경우, 1um 정도의조대한초 정 (primary phase) ε-ag 3Sn 상의정출 (crystallization) 로인해, 다소기계적강도는저하된다고보고되고있 다 3,4) Sn-Ag-Cu ternary system Sn-Ag-Cu 합금계는세계적으로표준합금으로써자 리를잡고있다. 각국마다공정조성에대한이해가조 금씩다르지만다수의최근연구결과에따르면 Sn- 3.6Ag-.7Cu 근방의조성으로알려져있다. 또한, 각 국의특허와복잡하게얽혀있어최적조성의인식이다르지만, 일본의추천합금인 Sn-3.Ag-.5Cu 합금이 Ag 함유량이높은조성에서생성될수있는조대한 ε- Ag 3 Sn상의형성을회피할수있는조성으로적합하다고알려져있다. Table 2에각국의추천합금계에대해서나타냈다. 본고에서는일본의추천조성인 Sn-3.Ag-.5Cu Sn-3.3at%Ag-.9at%Cu) 합금에대해소개하고자 18 β-sn+ag 3 Sn+η -Cu 6 Sn Cu (wt%) Fig. 7 Sn-Ag-Cu ternary phase diagram calculated CALPHAD software (Thermo-Calc.) 4) ε-ag 3 Sn/β-Sn/η-Cu 6 Sn 5 Primary β-sn 1 um Fig. 8 Microstructure of Sn-3.Ag-.5Cu alloy 한다. 그림 7의계산상태도에따르면, Sn-Ag 합금과는달리 ε-ag 3Sn상이외에도미량의 Cu 첨가에의해 η-cu 6Sn 5 상이생성된다 4). 상기합금의응고순서는초정 β-sn β-sn + ε-ag 3Sn β-sn + ε- Ag 3Sn + η-cu 6Sn 5 순으로정출된다. 금속조직학적인측면에서보면 Sn-Ag 합금과유사한조직특성을나타내기때문에 Sn-Ag-Cu합금의인장강도및연신율은 Sn-Ag 합금과거의비슷한값을나타낸다 9). 2.2 Interfacial properties of and Sn- 3.Ag-.5Cu alloys on plating Interface of and Sn-3.Ag-.5Cu on ENEPIG plating 기본적으로 Sn-Ag 합금과 ENEPIG와의계면반응은 Ni 원소가용융솔더쪽으로일방향용해 (dissolution) 되기때문에우선적으로 Ni-Sn 금속간화합물 (IMC: Intermetallic Compound) 이계면에형성된다. Ni-Sn 은 Ni 3 Sn, Ni 3 Sn 2, Ni 3 Sn 4 등이형성될수있는데, 22 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 29

Sn-Ag 계무연솔더및표면처리종류에따른계면특성 23 Ni-Sn Sn-3.Ag-.5Cu (Cu, Ni)-Sn 5um Fig. 9 Interface of and Sn-3.Ag-.5Cu on ENEPIG plating Ni 3Sn 4 상의생성엔탈피 (enthalpy) 가가장낮으므로, 솔더링시계면에형성되는주금속간화합물은 Ni 3 Sn 4 상으로널리알려져있다 1).

이러한이유로 층은 P-rich layer 라고부르기도한다. Ni 3P 층은기본적으로계면접합신뢰성을저해하는보이드 (void) 를형성하기때문에두께를유효하게제어할필요성이있다. 반면, Sn-Ag-Cu 합금과 ENEPIG 초기계면반응의경우합금에미량함유된 Cu 원소에의해계면에는 (Cu, Ni) 3 Sn 4 상이형성된다.

2.2 Interface of and Sn-3.Ag-.5Cu on ENIG+EG plating Sn-Ag합금은 ENIG+EG에서 ENEPIG와비슷한계면양상을보여준다. 다만, ENEPIG에비해상대적으로많은 Au source 에의해계면에 Ni-Sn 계이외에도 Au-Sn 계금속간화합물이형성되며, 조성은 η-ausn 4 으로알려져있다 14,15).

11에각솔더별 / 표면처리별계면에형성된금속간화합물두께를나타내었다. 동일솔더합금이라고하더라도표면처리종류에따라서다른계면반응및두께성장을나타낸다. 특히, Sn-Ag/ENEPIG 계면두께는 Sn-Ag/ENIG+EG 계면두께에비해서동일 reflow process 조건이라고하더라도약 2배이상성장됨이확인되었다.

4 Sn-Ag 계무연솔더및표면처리종류에따른계면특성 23 Ni-Sn Sn-3.Ag-.5Cu (Cu, Ni)-Sn 5um Fig. 9 Interface of and Sn-3.Ag-.5Cu on ENEPIG plating Ni 3Sn 4 상의생성엔탈피 (enthalpy) 가가장낮으므로, 솔더링시계면에형성되는주금속간화합물은 Ni 3 Sn 4 상으로널리알려져있다 1). 최근에는 TEM (Transmission Electron Microscopy) 분석을통해 Ni 3 Sn 4 상과 상사이에 Ni 3 Sn(P) 상이형성됨이확인되었다 11-13). 기본적으로 Ni이솔더측으로일방향확산하기때문에확산속도차에의해 Ni 3P층은 Ni원소가부족한상태 (Ni depletion state) 가되며, 공공 (vacancy) 을형성하게된다. 이러한이유로 층은 P-rich layer 라고부르기도한다. Ni 3P 층은기본적으로계면접합신뢰성을저해하는보이드 (void) 를형성하기때문에두께를유효하게제어할필요성이있다. 반면, Sn-Ag-Cu 합금과 ENEPIG 초기계면반응의경우합금에미량함유된 Cu 원소에의해계면에는 (Cu, Ni) 3 Sn 4 상이형성된다. Sn-Ag 합금중에 Cu가존재하면, 계면에 Cu-Sn 계금속간화합물을형성하기때문에전체적인 Ni의일방향확산을제어하는것으로알려져있다. 이러한 Sn-Ag-Cu/ENEPIG 독특한계면특성으로인해계면접합신뢰성에영향을미치는 층이얇아지게된다. 이러한계면형성측면에서보면 Sn-Ag-Cu합금은 Sn-Ag 합금에비해높은계면신뢰성을가지고있다고할수있겠다 Interface of and Sn-3.Ag-.5Cu on ENIG+EG plating Sn-Ag합금은 ENIG+EG에서 ENEPIG와비슷한계면양상을보여준다. 다만, ENEPIG에비해상대적으로많은 Au source 에의해계면에 Ni-Sn 계이외에도 Au-Sn 계금속간화합물이형성되며, 조성은 η-ausn 4 으로알려져있다 14,15). 이러한 Au-Sn 계금속간화합물의형성도 Ni의일방향확산을제어하여계면금속간화합물두께를제어함을확인하였다. Sn-Ag-Cu합금은 ENIG+EG 계면에서 (Cu, Ni)-Sn 화합물이외에추가적으로 Au-Sn 계금속간화합물이형성되었으며, 반응두께는 ENEPIG와거의동일한 2~3um 수준을보여준다. Fig. 11에각솔더별 / 표면처리별계면에형성된금속간화합물두께를나타내었다. 동일솔더합금이라고하더라도표면처리종류에따라서다른계면반응및두께성장을나타낸다. 특히, Sn-Ag/ENEPIG 계면두께는 Sn-Ag/ENIG+EG 계면두께에비해서동일 reflow process 조건이라고하더라도약 2배이상성장됨이확인되었다. 따라서, 각솔더와표면처리에대한초기계면반응뿐만아니라여러가혹한환경에서의신뢰성평가를통하여계면신뢰성확보를위한연구가지속적으로요구되어진다. Ni-Sn Au-Sn Sn-3.Ag-.5Cu (Cu, Ni)-Sn Au-Sn 5um Fig. 1 Interface of and Sn-3.Ag-.5Cu on ENIG+EG plating Total IMC thickness (um) /ENEPIG Sn-3.Ag -.5Cu/ENEPIG /ENIG+EG Sn-3.Ag -.5Cu/ENIG+EG Fig. 11 IMC thickness with kind of surface finish and lead-free solder 大韓熔接接合學會誌第 27 卷第 1 號, 29 年 2 月 23

24 Fig. 12 Cross-section view of 74um solder resist opening 3. 결론 향후패키지의미세피치 (fine pitch) 에의해서솔더 범프볼륨도작아질전망이다. 솔더범프의크기가작 아짐에따라서신뢰성을저해할수있는금속간화합물이차지하는볼륨이상대적으로커지게된다.

Massalski: Binary Alloy Phase Diagrams 2 nd ed., ASM International (1992) 3. K. Suganuma, S.H. Huh, K.S. Kim, H. Nakase and Y.

com Sn-Ag binary alloy solder, Materials Transactions, 42(2) (21), 286-291 4. 菅沼克昭 : はじめてのはんだ付け技術, 工業調査会 (in Japanese) 5. K.S. Kim, S.H. Huh and K.

M.R. Harrison et. al.: Proc 12 th Microelectronics & Packaging Conference, IMAPS Europe, Cambridge, (1999), 98-14 9. 菅沼克昭 : 鉛フリーはんだ技術材料ハンドブック, 工業調査会 (in Japanese) 1. D. Gur and M.

Suganuma: Interface microstructures between Ni-P alloy plating and Sn-Ag-(Cu) lead-free solders, Journal of Materials Research, 18(11) (23), 254-2543 12. C.W. Hwang, K. Suganuma, M. Kiso and S.

5 24 Fig. 12 Cross-section view of 74um solder resist opening 3. 결론 향후패키지의미세피치 (fine pitch) 에의해서솔더 범프볼륨도작아질전망이다. 솔더범프의크기가작 아짐에따라서신뢰성을저해할수있는금속간화합물이차지하는볼륨이상대적으로커지게된다. 기판솔더범프가 die 쪽의 Cu post와 assembly 될시 substrate 쪽및 die 쪽에서 2차 reflow 공정에서수반되는열에의해계면금속간화합물성장및생성이이루어지게되므로볼륨에대한부분을충분히고려하여설계되어져야할것이다. 참고문헌 年度版日本実装技術ロードマッププリント配線板技術編 (in Japanese) 2. T.B. Massalski: Binary Alloy Phase Diagrams 2 nd ed., ASM International (1992) 3. K. Suganuma, S.H. Huh, K.S. Kim, H. Nakase and Y. Nakamura: Effect of Ag content on properties of 이재언 ( 李在彦 ) 1976년생 무연솔더, 마이크로접합, 실장기술 jaeean.lee@samsung.com 김호진 ( 金昊振 ) 1971년생 무연솔더, 마이크로접합 hojin1125.kim@samsung.com Sn-Ag binary alloy solder, Materials Transactions, 42(2) (21), 菅沼克昭 : はじめてのはんだ付け技術, 工業調査会 (in Japanese) 5. K.S. Kim, S.H. Huh and K. Suganuma: Effects of Intermetallic compounds on properties of Sn-Ag-Cu lead-free soldered joints, Journal of Alloys and Compounds, 352 (23), M.R. Harrison et. al.: Proc 12 th Microelectronics & Packaging Conference, IMAPS Europe, Cambridge, (1999), 菅沼克昭 : 鉛フリーはんだ技術材料ハンドブック, 工業調査会 (in Japanese) 1. D. Gur and M. Bamberger: Reaction isothermal solidification in the Ni-Sn system, Acta Materialia, 46(14) (1998), C.W. Hwang and K. Suganuma: Interface microstructures between Ni-P alloy plating and Sn-Ag-(Cu) lead-free solders, Journal of Materials Research, 18(11) (23), C.W. Hwang, K. Suganuma, M. Kiso and S. Hashimoto: Influence of Cu addition to interface microstructure between Sn-Ag solder and Au/Ni-6P plating, Journal of Electronic Materials, 33(1) (24), S.W. Kim, J.W. Yoon and S.B. Jung: Interfacial reactions and shear strengths between Sn-Ag-based Pb-free solder balls and Au/EN/Cu metallization, Journal of Electronic Materials, 33(1) (24), J.W. Yoon, W.C. Moon and S.B. Jung: Interfacial reaction of ENIG/Sn-Ag-Cu/ENIG sandwich solder joint during isothermal aging, Microelectronic Engineering. 83 (26), T.C. Chiu and K.L. Lin: Electromigration behavior of the Cu/Au/SnAgCu/Cu solder combination, Journal of Materials Research, 23(1) (28), 이영관 ( 李榮官 ) 1977년생 표면처리, 마이크로접합 youngkwan77.lee@samsung.com 최영식 ( 崔寧植 ) 1964년생 총괄 반도체패키지용플립칩기판기술 youngsik.choi@samsung.com 24 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 1, February, 29

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DBPIA-NURIMEDIA 82 연구논문 Sn-40Pb/Cu 및 Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu 솔더접합계면의금속간화합물형성에필요한활성화에너지 홍원식 * 김휘성 ** 박노창 * 김광배 ** * 전자부품연구원신뢰성평가센터 ** 한국항공대학교항공재료공학과 Activation Energy for Intermetallic Compound Formation of Sn-40Pb/Cu and Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu