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 **** 엠케이켐앤텍 Interfacial Reactions and Mechanical Strength of -3.0Ag-0.5/0.1 μm -Ni Thin ENEPIG Solder Joints Jong-Hoon Back*, **, Sehoon Yoo*, ***, Deok-Gon Han****, Seung-Boo Jung**, and Jeong-Won Yoon*, ***, *Welding and Joining R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon, 21999, Korea **School of Advanced Materials Science and Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon, 16419, Korea ***Critical Materials and Semiconductor Packaging Engineering, University of Science and Technology(UST), Daejeon, 34113, Korea ****MK Chem & Tech, Ansan, 15599, Korea Corresponding author : jwyoon@kitech.re.kr (Received August 9, 2017 ; Revised September 1, 2017 ; Accepted September 11, 2017) Abstract A new multilayer metallization, ENEPIG (electroless nickel electroless palladium immersion gold) with 0.1 μm thin Ni(P) layer (thin-enepig), was plated on a PCB substrate for fine-pitch package applications. We evaluated interfacial reactions and mechanical reliability of a -3.0Ag-0.5 (SAC305) alloy on a thin ENEPIG coated substrate during various reflow times. In the initial ing reaction, (Au,) 4 intermetallic compound (IMC) formed at the SAC305/ENEPIG interface. After prolonged reflow reactions, the Pd and Ni layers were consumed, and (,Ni) 6 IMC formed on the layer. As the reflow time increased, the and Ni contents in (,Ni) 6 IMC increased and decreased, respectively, due to the limited Ni layer in the ENEPIG plating layer. In the low-speed shear test, all fractures occurred in the bulk regardless of reflow times. In the high-speed shear test, the fracture mode was changed from ductile to brittle with increasing reflow time, due to the formation of the thick interfacial IMC. Key Words : Electroless-Nickel Electroless-Palladium Immersion-Gold (ENEPIG), -3.0Ag-0.5 (SAC305), Reflow, Interfacial reactions, Mechanical strength 1. 서론 전자패키징 (electronic packaging) 에서표면처리 (surface finish) 는인쇄회로기판 (printed circuit board, PCB) 제조의후반부공정으로, 접속단자에확산방지층, 산화방치층및젖음층을형성하는공정이며, PCB 표면처리층위에솔더링또는와이어본딩등의접합공정이진행되기때문에표면처리층의특성은솔더링특성및패키지장기신뢰성등에큰영향을미친다 1,2). 대 Journal of Welding and Joining, Vol.35 No.6(2017) pp51-58 https://doi.org/10.5781/jwj.2017.35.6.8
52 백종훈, 유세훈, 한덕곤, 정승부, 윤정원 표적인표면처리방법으로는 OSP(organic ability preservative), HASL(hot air leveling), 침지주석 (immersion tin), 침지은 (immersion silver), ENIG(electroless nickel immersion gold) 및 ENEPIG(electroless nickel electroless palladium immersion gold) 가있다 3). 그중에서 기판사용시, 일반적인솔더합금과의빠른반응특성으로인해계면에 6 및 3 등과같은 - 계금속간화합물 (intermetallic compound, IMC) 의빠른생성으로인한기계적신뢰성저하문제가많이보고되어왔다 4,5). 이를개선하기위하여확산방지층 (diffusion barrier layer) 의역할을하는 Ni 도금기술이적용되었으며, 주로무전해도금기술인 ENIG 및 ENEPIG 도금층이널리사용되어져왔다 6-13). 솔더링공정적용에있어서 Ni(P) 도금층은솔더합금과 기판사이에서확산방지층의역할을하며, 층의소모와두꺼운 - 금속간화합물층의생성을막아준다. 최근에는 ENIG 와 ENEPIG 표면처리가우수한젖음특성, 마스크가필요없는무전해도금공정특성및뛰어난확산방지특성등으로인해미세피치플립칩 (fine pitch flip chip) 공정등의 UBM(under bump metallization) 재료로서널리사용되어왔다 8-11). 또한, ENIG 와비교하여 ENEPIG 층은 Au와 Ni 층사이의중간삽입층인 Pd 층의존재로인해 Ni 3 4 와 Ni 3 P 등의계면화합물층의생성및계면 Kirkendall void 의생성을억제하며, 우수한야금학적및기계적신뢰성을나타낸다고보고되었다 8,11). 하지만, 기존에주로사용되던 ENEPIG 표면처리는아래와같은두가지단점이최근제기되었다. 첫째, 기존 ENEPIG 표면처리는 Ni 두께가약 3-7 μm정도로두껍기때문에, 향후더욱가속화될미세피치대응에있어서배선간간격이줄어듦에따라플립칩접합시인접솔더끼리단락되는솔더브리지 ( bridge) 발생이증가하는문제점이있으며, 배선간간격이줄어듦에따라 패드사이에 trace 를형성하기가어려운단점이있다 9). 둘째, ENEPIG 층내의두꺼운무전해 Ni 층의존재가솔더접합부의전기저항 (electrical impedance) 을크게증가시킨다고보고되었다 9,11). Ho 의연구결과에따르면, 두께 4.79 μm의무전해 Ni층을가지는일반 ENEPIG 층의솔더접합부의경우전기저항은 36.19 nω인반면, 두께 0.31 μm의무전해 Ni 층을가지는얇은 ENEPIG 층의솔더접합부의경우전기저항은 2.72 nω으로크게줄어든다고보고되었다 11). 비정질 Ni(P) 층의전기비저항은 70-120 µω cm로, (1.7 µω cm), (11.5 µω cm), Ni (6.8 µω cm) 과비교하여훨씬높다. 높은접속저항은전기적인시그널을퇴화시키며, 특히 RF(radio frequency) 필터와듀플렉서 (duplexer) 등과같은고주파부품 (high-frequency component) 에서전기적인성능을크게저하시킨다. 따라서, 위와같은문제를해결하기위해 Ni 두께가 1 μm미만으로얇은 ENEPIG 표면처리에대한요구가대두되고있다. 전술한바와같이기존의 ENEPIG 는수십μm pitch 이하의미세피치에는적용하기어려운단점을가지고있는반면, 얇은 ENEPIG 는미세피치적용성이우수하고, 솔더링뿐만아니라 wire bonding 에도적용가능하며, 양호한내열성및도금밀착성, 그리고낮은공정가격을가지는장점이있다 2). 이에따라향후 30~50 μm이하미세패턴의플립칩공정적용을위한 PCB 및고주파부품이실장되는 PCB 에는 Ni 두께가줄어든얇은 ENEPIG 표면처리의적용이필요하며점차그적용범위가확대될것으로예상된다. 하지만, 이러한얇은 ENEPIG 표면처리는최근에새롭게제안된기술로몇몇선진패키지제조업체에서기술개발및양산적용가능성을테스트중인상황으로, 아직까지다양한신뢰성측정결과가축적되지못한실정이며, 필드경험이부족한단점을가지고있다. 따라서, 본연구에서는얇은 ENEPIG 특성에대한기초연구로서미세피치패키지적용을위한얇은 ENEPIG 도금층의계면반응및접합부기계적신뢰성평가를수행하였다. 먼저, 가장대표적인무연솔더합금인 -3.0Ag- 0.5 (SAC305) 솔더합금에대한얇은 ENEPIG 도금층의솔더링특성이평가되었으며, 순차적인솔더와의반응에대한계면반응및접합부계면에형성된금속간화합물상의분석이수행되었다. 또한, 솔더볼접합후저속전단시험및고속전단시험의수행을통하여얇은 ENEPIG 가적용된솔더접합부의기계적신뢰성이평가되었으며, 연성 / 취성파괴분석을통해얇은 ENEPIG 기판의적용가능성이검토되었다. 2. 실험방법 본실험에사용된얇은 ENEPIG 표면처리는상용의표면처리약품을사용하여도금공정이수행되었다. 무전해 Ni 의경우, 82±1 의온도에서 1분, 무전해 Pd 의경우, 50±1 의온도에서 10분, 그리고침지 Au 의경우, 78±1 의온도에서 15분동안도금공정이수행되었으며, 그두께는 Ni, Pd 및 Au가각각약 0.1, 0.05, 그리고 0.05 μm였다. Fig. 1에본연구에사용된얇은 ENEPIG 도금패드의모식도를나타내었다. 도금공정수행후도금층의단면및두께를측정 592 Journal of Welding and Joining, Vol. 35, No. 6, 2017
0.1 μm Ni 두께를가지는얇은 ENEPIG 층과 -3.0Ag-0.5 솔더와의계면반응및접합강도 53 (a) normal ENEPIG Ni : 5~7 μm (b) thin ENEPIG Ni : ~ 0.1 μm Au Pd Ni Au Pd Ni Fig. 1 Schematics of (a) normal ENEPIG and (b) thin ENEPIG surface finishes 하기위하여 focused ion beam(fib) 밀링공정이수행되었다. 리플로우 (reflow) 반응동안에 SAC305 솔더와얇은 ENEPIG 도금처리된 기판과의계면반응을관찰하기위해서, 리플로우시간변화에따른접합공정이수행되었다. 본실험에사용된 PCB 기판은 mask defined(smd) 타입의 flame retardant 4(FR-4) PCB 였다. PCB 의 패드직경은 300 μm였으며, 이 패드상에상기에서언급한두께의얇은 ENEPIG 도금공정이수행되었다. 먼저, 스텐실마스크를사용하여 SAC305 솔더페이스트 (Senju, M705- SHF type 5) 가 PCB 패드상에프린팅되었으며, 그위에 450 μm직경의 SAC305 BGA(ball grid array) 솔더볼 (Duksan Hi-Metal, Korea) 이올려졌다. 그다음핫플레이트 (hot plate) 를이용하여리플로우공정이수행되었다. 리플로우공정에사용된피크온도는 260 였으며, 각각 30, 60, 180, 300초시간동안리플로우공정이수행되었다. ( 본연구에서언급한리플로우시간은핫플레이트상에시험편을올려놓은후유지시킨시간을의미하며, 용융솔더의융점 (SAC305 솔더의경우 217 ) 이상에서의유지시간을의미하지는않음.) 얇은 ENEPIG 층내의 Ni, Pd, Au 각각의층의두께가얇기때문에짧은리플로우시간별로구분하여리플로우공정을수행하였다. 리플로우공정후에는샘플이실온까지냉각되었으며, 접합시편의단면분석이수행되었다. 먼저, 일반적으로수행되는야금학적인시편준비과정인연마및에칭공정이수행되었으며, 주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM, FEI Inspect F) 을통해접합부의단면을관찰하였다. 또한 EDX(energy-dispersive X-ray spectroscopy) 분석을통해접합부계면에형성된금속간화합물 (intermetallic compound, IMC) 의성분을분석하였다. 또한접합부계면부근에서의원소별분포및화합물형성을분석하기위해 EDX 맵핑 (mapping) 분석이수행되었다. 상기에서기술된방법과동일한방법으로제조된 BGA 솔더접합부의기계적신뢰성을평가하기위해, 저속전단시험 (low speed shear test) 및고속전단시험 (high speed shear test) 이수행되었다. 사용된저속전단시험장비및고속전단시험장비는각각 Dage 사 4000 및 4000HS 장비였으며, 전단높이는 50 μm로고정되었다. 실험에사용된저속및고속전단속도는각각 300 μm /s와 1 m/s였다. 총 20개솔더볼에대한전단강도시험이각조건별로수행되었으며그평균값이본논문에보고되었다. 솔더접합부전단시험수행후파면이 SEM 과 EDX 를이용하여세부적으로분석되었다. 3. 실험결과 도금공정수행후본연구에사용된얇은 ENEPIG 도금층의단면을관찰하기위하여 FIB 밀링공정이수행되었으며, 그결과가 Fig. 2에보여졌다. 그림에서보는바와같이, 기판상에 Ni, Pd 및 Au가균일하게도금층을형성하였음을확인할수있었다. 그두께는 Ni, Pd 및 Au가각각약 100, 50, 그리고 50 nm였다. 서로다른리플로우반응시간동안발생한얇은 ENE- PIG 도금층과 SAC305 솔더와의순차적인계면반응을분석하기위하여, 리플로우접합시험이수행되었다. Fig. 3은 260 에서서로다른시간동안 SAC305 솔더 (a) (b) Pt 3 μm Pt Au (50 nm) Pd (50 nm) Ni (100 nm) 500 nm Fig. 2 FIB images of the thin ENEPIG plated PCB pad 대한용접 접합학회지제 35 권제 6 호, 2017 년 12 월 593
54 백종훈, 유세훈, 한덕곤, 정승부, 윤정원 와얇은 ENEPIG 표면처리된 BGA 기판사이의리플로우반응후의단면 SEM 사진을보여준다. 30 초의리플로우반응후에는 SAC305 솔더와 ENEPIG 층과의반응으로인해계면에 (,Ni) 6 금속간화합물상이형성되었다 (Fig. 3(e)). 초기솔더링반응동안에, 얇은 Au와 Pd 층은액상의솔더와반응하여솔더내부로용해되었으며, 무전해 Ni 층및하지 층과의반응으로인해계면에는얇은 (,Ni) 6 금속간화합물이생성되었다. 선행문헌의 TEM (transmission electron microscopy) 연구결과에의하면, 리플로우반응후에도이들계면금속간화합물과 기판사이에는얇은 3 금속간화합물이형성되는것으로알려져있다 3). 하지만생성된 3 층의두께가매우얇고또한 SEM 의분해능의제한으로인해본연구에서는더이상의분석이어려웠다. 이층의존재를확인하기위해서는추후 TEM 분석을통한추가적인연구가필요하다. 또한, (,Ni) 6 금속간화합물층과 층사이의계면형상이울퉁불퉁한요철형상을나타내었다. 만일, 기존에사용되던 normal ENEPIG 도금층상에 SAC305 솔더가접합되었다면, 계면금속간화합물층아래에 P-rich Ni 층의생성및무전해 Ni 층이남아있었을것이다 7). 하지만, 본연구에서는얇은 ENEPIG 층이사용되었기때문에, 30초의비교적짧은리플로우반응시간에서도솔더와하지 층과의반응으로인해 (,Ni) 6 금속간화합물이생성되었다. 이금속간화합물층내의 함량은약 41.5 at.%, Ni 함량은약 13.6 at.%, 그리고 함량은약 44.9 at.% 였다. 유사한연구결과가이전논문에보고되었다. Ho 등은서로다른두께의 ENEPIG 층과 SAC305 솔더를이용하여 235-245 의온도에서 20-40 초동안의계면반응에대해연구하였으며, 리플로우반응동안얇은 ENEPIG 층이모두소모된후용융 SAC305 솔더와 와의반응으로 (,Ni) 6 금속간화합물이계면에생성됨을보고하였다 11). 솔더링반응시간이증가함에따라전반적으로계면에형성된금속간화합물층의두께는증가하였다. 60초동안의리플로우반응후에는침상형태의다소많은수의 (,Ni) 6 금속간화합물들이계면에생성되었다 (Fig. 3(f)). 이금속간화합물층내의 함량은약 48.3 at.%, Ni 함량은약 6 at.%, 그리고 함량은약 45.7 at.% 였다. 180 초동안의리플로우반응후에는보다두껍고굵은형태의 (,Ni) 6 금속간화합물들이계면에생성되었으며, 이금속간화합물층에서분석된 함량은약 48 at.%, Ni 함량은약 7.3 at.%, 그리고 함량은약 44.7 at.% 였다 (Fig. 3(g)). 또한 (,Ni) 6 금속간화합물층과 기판사이에 3 층의존재가확인되었다. 300 초동안의리플로우반응후에는약 5 μm두께의층 (layer) 형태의두꺼운 (,Ni) 6 금속간화합물층이계면에생성되었다. 이금속간화합물층에서분석된 함량은약 51.1 at.%, Ni 함량은약 3.9 at.%, 그리고 함량은약 45 at.% 였다 (Fig. 3(h)). 본연구에서리플 30s 60s 180s 300s (a) (b) (c) (d) 300 μm (e) (f) (g) (h) (,Ni) 6 (,Ni) 6 (,Ni) 6 (,Ni) 6 3 3 10 μm : 41.51 at.% Ni : 13.64 at.% : 44.85 at.% : 48.29 at.% Ni : 6.02 at.% : 45.69 at.% : 48.02 at.% Ni : 7.29 at.% : 44.69 at.% : 51.08 at.% Ni : 3.95 at.% : 44.97 at.% Fig. 3 Cross-sectional SEM micrographs of SAC305/thin ENEPIG plated interfaces subjected to reflowing at 260 for various times, and EDX analysis results of the interfacial (,Ni) 6 IMCs 594 Journal of Welding and Joining, Vol. 35, No. 6, 2017
0.1 μm Ni 두께를가지는얇은 ENEPIG 층과 -3.0Ag-0.5 솔더와의계면반응및접합강도 55 로우시간이증가함에따라계면에형성된 (,Ni) 6 금속간화합물들이계면에서 spalling 되어많은수의금속간화합물들이솔더내부로퍼져서분포함을확인하였다. 특히, Fig. 3의 (c) 와 (d) 에서보는바와같이, 리플로우시간이 180 초와 300 초로증가하였을때상당수의 (,Ni) 6 금속간화합물들이솔더볼내부에서확인되었다. 리플로우시간증가에따른계면반응결과에서한가지흥미로운결과는계면에형성된금속간화합물층의조성이리플로우시간에따라변화한다는것이다. 우리는계면에형성된 (,Ni) 6 금속간화합물조성의 EDX 분석결과를 Fig. 3의계면 SEM 사진아래에표시하였으며, 또한이들조성변화를한눈에알아보기쉽게표현하기위해 Fig. 4에막대그래프로나타내었다. 그림에서볼수있는바와같이, 리플로우시간변 Chemical composition (%) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 30s 60s 180s 300s Reflow time (s) Fig. 4 Chemical compositions of the interfacial (,Ni) 6 IMCs at different reflow times Ni 화에도불구하고 의함량은큰변화없이약 44~ 45 at.% 를유지하였다. 반면, 리플로우시간이증가함에따라 함량은약 41 at.% 에서 51 at.% 로증가하였으며, 반대로 Ni 함량은약 14 at.% 에서 4 at.% 로감소하였다. 이는원래 ENEPIG 층내에도금된 0.1 μm의얇은 Ni 층의존재때문이다. 얇은 Ni 층은초기리플로우반응동안 과 와반응하여계면 (,Ni) 6 금속간화합물을형성한다. 하지만, 제한된 Ni 두께로인해빠른시간내에모두소모되어버리고리플로우반응이진행될수록계면 (,Ni) 6 금속간화합물내에서 의비율이증가하게된다. 하지만, 와 Ni의총량은 55~56 at.% 로일정한값을유지하였다. 와 Ni은전율고용체 (complete solid solution) 를형성하며, 유사한원자사이즈및 FCC(face centered cubic) 의같은결정구조 (crystal structure) 를가지는것으로알려져있다 14,15). 따라서, 두금속사이에는어떠한화합물도형성하지않으며마치서로가같은원소처럼거동하는경향이있다. 전술한바와같이, 본연구에서는 30초의리플로우반응후에 SAC305 솔더와 ENEPIG 층과의반응으로인해계면에 (,Ni) 6 금속간화합물상이형성되었으며, ENEPIG 도금층이모두계면에서사라진결과를얻었다. 따라서, 보다짧은리플로우반응시간에서 ENEPIG 층의거동을조사하기위해 20초동안리플로우공정을수행하였으며, 그단면 SEM 사진및 EDX mapping 분석결과를 Fig. 5에나타내었다. 20초동안의리플로우공정수행결과, 전체계면에서균일하게리플로우접합공정이수행되지는않았으며, 일부계면 Ag Au <SEM image> Pd Ni <EDX mapping of all elements> Fig. 5 Cross-sectional SEM micrograph and EDX element mapping results of SAC305/thin ENEPIG plated interface reflowed at 260 for 20 s 대한용접 접합학회지제 35 권제 6 호, 2017 년 12 월 595
56 백종훈, 유세훈, 한덕곤, 정승부, 윤정원 을따라서는접합이이루어지지않은미접합구간이존재함을확인하였다. Fig. 5에서보는바와같이, 20초의리플로우반응동안계면에얇은화합물층이형성되었음을확인할수있었다. EDX mapping 분석결과, Ni과 Pd층은아직까지반응하지않은채로남아있었으며, Au, 그리고 으로구성된화합물이계면에형성되었음을확인할수있었다. EDX 조성분석결과, 이금속간화합물층에서분석된 Au 함량은약 12.8 at.%, 함량은약 12.2 at.%, 그리고 함량은약 75 at.% 로분석되었으며, 조성으로미루어보아이는화학양론적화합물인 (Au,) 4 금속간화합물임을알수있었다. Ni과 Pd 층이계면에그대로존재하기때문에이 (Au,) 4 화합물내에포함된 는 SAC305 솔더에서계면반응동안에계면화합물로유입된 로생각된다. 보다이해를돕기위해, 접합부계면에포함된전체원소에대한 EDX mapping 결과를 SEM 사진과함께배치하였다. 얇은 ENEPIG 도금처리된패드상에서의접합강도를평가하기위해, 리플로우공정을통해 BGA 패키지상에솔더볼을형성한후전단시험을수행하였다. Fig. 6은 50 μm의전단높이와 300 μm /s의전단속도하에 120 서수행된저속전단시험후의접합강도측정결과를보여준다. 그림에서보는바와같이리플로우시간이증가함에따라접합강도는조금증가하는경향을보이지만, 큰변화는관찰되지않았다. 전단시험후파면관찰결과, 리플로우시간변화에관계없이파괴는모두솔더에서발생한연성파괴 (ductile fracture) 거동을보였다 (Fig. 7). 제작된 BGA 패키지상의솔더볼에대한고속전단신뢰성평가를위해 50 μm의전단높이에서 1 m/s의전단속도하에서고속전단시험이수행되었으며, 그결과를 Fig. 8에나타내었다. 리플로우시간이증가함에따라 180 초리플로우시간까지는전단강도값이조금증가한후, 300 초리플로우시간후에는급격하게전단강도값이감소하는결과를보였다. 일반적으로전단시험에있어서고속전단시험은빠른전단속도에기인한보다많은충격량으로인해솔더조인트의반발력이높아높은전단강도가측정되는동시에계면취성파괴율또한높게측정된다고알려져있다 16). 따라서접합부취성파괴율을보다용이하게측정하고선별하고자할경우고속전단시험이일반적으로사용된다. 본실험에서도전단속도가증가함에따라계면금속간화합 200 Shear strength (MPa) 110 100 90 80 70 60 50 Shear strength (MPa) 180 160 140 120 100 40 0 60 120 180 240 300 360 Reflow time (s) Fig. 6 Shear strength values measured with low-speed shearing after different reflow times 80 0 60 120 180 240 300 360 Reflow time (s) Fig. 8 Shear strength values measured with high-speed shearing after different reflow times 60s 180s 300s (a) (b) (c) 300 μm Fig. 7 Fracture surfaces of the SAC305 joints after low-speed shear testing 596 Journal of Welding and Joining, Vol. 35, No. 6, 2017
0.1 μm Ni 두께를가지는얇은 ENEPIG 층과 -3.0Ag-0.5 솔더와의계면반응및접합강도 57 60s 180s 300s (a) (b) (c) IMC 300 μm Fig. 9 Fracture surfaces of the SAC305 joints after high-speed shear testing (a) (b) 3 신뢰성평가및최적의얇은 ENEPIG 도금층두께등에대한연구가필요할것으로생각된다. (c) (,Ni) 6 (d) (,Ni) 6 (,Ni) 6 Fig. 10 Fracture surfaces of the SAC305/thin ENEPIG plated joint after high-speed shear testing (reflow time: 300 s) 물층에서의취성파괴율이증가함을확인할수있었다. 고속전단시험후파면관찰결과, 180 초리플로우시간까지는솔더에서연성파괴가발생하였으나, 300 초리플로우시간후에는계면금속간화합물층위에서취성파괴 (brittle fracture) 가발생함을확인하였다 (Fig. 9). Fig. 10은 300초동안리플로우된접합시편의고속전단시험후관찰된파면 SEM 사진이다. 그림에서알수있는바와같이, 취성파괴부분에서계면 (,Ni) 6 및 3 금속간화합물의존재를확인하였다. 이로미루어보아, 두껍게형성된계면금속간화합물의존재로인해고속전단시험에서취성파괴가발생한것으로판단된다. 본연구에서는얇은 ENEPIG 도금층의패키지적용을위해서 SAC305 솔더합금과의리플로우반응동안에순차적인계면반응및 BGA 솔더접합부기계적신뢰성평가를수행하였다. 보다폭넓은얇은 ENEPIG 표면처리의현장적용을위해서는기존 ENEPIG 도금기판과의신뢰성비교, 장기간의전기적, 열적, 기계적 4. 결론 본연구에서는얇은 ENEPIG 도금층과 SAC305 솔더합금과의솔더링특성, 계면반응및 BGA 솔더접합부기계적신뢰성평가를통한얇은 ENEPIG 도금층의패키지적용가능성이평가되었다. 먼저, 450 μm직경의 SAC305 BGA 솔더볼과얇은 ENEPIG 도금층사이의순차적인계면반응및접합부계면에형성된금속간화합물상분석이수행되었으며, BGA 패키지에솔더볼을접합한후저속및고속전단시험을통한접합부기계적신뢰성이평가되었다. 본연구를통해다음과같은결론이얻어졌다. 1) 20초동안의리플로우공정수행결과, ENEPIG 층중에서 Ni과 Pd층은반응하지않은채로남아있었으며, Au,, 으로구성된 (Au,) 4 화합물이계면에형성되었다. 2) 30~300초의리플로우반응후에는 SAC305 솔더와 ENEPIG 층과의반응으로인해계면에 (,Ni) 6 금속간화합물상이형성되었다. 이반응동안, ENEPIG 층의얇은 Au와 Pd 층은액상의솔더와반응하여솔더내부로용해되었으며, 무전해 Ni 층및하지 층과의반응으로인해계면에는 (,Ni) 6 금속간화합물이생성되었으며, 리플로우시간이증가함에따라계면화합물층의두게는증가하였다. 3) 리플로우시간이증가함에따라계면에형성된 (, Ni) 6 금속간화합물층의조성이변화하였다. 리플로우시간이증가함에따라 의함량은큰변화없이약 44~45 at.% 를유지하였으나, ENEPIG 층내의제한된 Ni의양때문에 함량은약 41 at.% 에서 51 at.% 로증가하였으며, 반대로 Ni 함량은약 14 at.% 에서 4 at.% 로감소하였다. 4) SAC305 솔더볼접합부의저속전단시험의경우, 대한용접 접합학회지제 35 권제 6 호, 2017 년 12 월 597
58 백종훈, 유세훈, 한덕곤, 정승부, 윤정원 리플로우시간이증가함에따라접합강도의큰변화는관찰되지않았으며, 리플로우시간변화에관계없이파괴는모두솔더에서연성파괴가발생하였다. 5) SAC305 솔더볼접합부의고속전단시험의경우, 180 초리플로우시간까지는솔더에서연성파괴가발생하였으나, 300 초리플로우시간후에는계면에형성된두꺼운금속간화합물층으로인한취성파괴가발생하였다. ORCID: Jong-Hoon Back : http://orcid.org/0000-0002-1170-3428 ORCID: Sehoon Yoo : http://orcid.org/0000-0001-7036-6188 ORCID: Deok-Gon Han : http://orcid.org/0000-0002-3601-5381 ORCID: Seung-Boo Jung : http://orcid.org/0000-0002-7360-9859 ORCID: Jeong-Won Yoon : http://orcid.org/0000-0001-8708-542x 후 기 본논문은산업통상자원부우수기술연구센터 (ATC) 사업 ( 과제번호 : 10062737) 의지원으로수행되었으며이에감사드립니다. References 1. K. H. Kim, W. Seo, S. H. Kwon, J.K. Kim, J. W. Yoon and S. Yoo, Effects of Ni-P Bath on the Brittle Fracture of -Ag- Solder/ENEPIG Solder Joint, Journal of Welding and Joining, 35 (3) (2017), 1-6 https://doi.org/10.5781/jwj.2017.35.3.1 2. J. H. Back, B. S. Lee, S. Yoo, D. G. Han, S. B. Jung and J. W. Yoon, Solderability of thin ENEPIG plating Layer for Fine Pitch Package application, J. Microelectron. Packag. Soc. 24 (1) (2017), 83-90 https://doi.org/10.6117/kmeps.2017.24.1.083 3. K. H. Kim, J. Koike, J. W. Yoon and S. Yoo, Effect of Plasma Surface Finish on Wettability and Mechanical Properties of SAC305 Solder Joints, J. Electron. Mater. 45 (2016), 6184-6191 https://doi.org/10.1007/s11664-016-4908-4 4. D. H. Park and T. S. Oh, Reliability Characteristics of a Package-on-Package with Temperature/Humidity Test, Temperature Cycling Test, and High Temperature Storage Test, J. Microelectron. Packag. Soc. 23 (3) (2016), 43-49 https://doi.org/10.6117/kmeps.2016.23.3.043 5. T. Laurila, V. Vuorinen and J. K. Kivilahti, Interfacial reactions between lead-free s and common base materials, Mater. Sci. Eng. R, 49 (2005), 1-60 https://doi.org/10.1016/j.mser.2005.03.001 6. J. W. Yoon, B. I. Noh, J. H. Yoon, H. B. Kang and S. B. Jung, Sequential interfacial intermetallic compound formation of 6 and Ni 3 4 between -Ag- and ENEPIG substrate during a reflow process, J. Alloy. Compd. 509 (2011), L153-L156 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.01.015 7. J. W. Yoon, J. H. Bang, C. W. Lee and S. B. Jung, Interfacial reaction and intermetallic compound formation of -1Ag/ ENIG and -1Ag/ENEPIG joints, J. Alloy. Compd. 627 (2015), 276-280 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.11.208 8. J. W. Yoon, B. I. Noh and S. B. Jung, Comparative Study of ENIG and ENEPIG as Surface Finishes for a - Ag- Solder Joint, J. Electron. Mater. 40 (2011), 1950-1955, https://doi.org/10.1007/s11664-011-1686-x 9. C. E. Ho, C. W. Fan and W. Z. Hsieh, Pronounced effects of Ni(P) thickness on the interfacial reaction and high impact resistance of the /Au/Pd(P)/Ni(P)/ reactive system, Surf. Coat. Technol. 259 (2014), 244-251 https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.04.027 10. C. Y. Ho and J. G. Duh, Optimal Ni(P) thickness design in ultrathin-enepig metallization for ing application concerning electrical impedance and mechanical bonding strength, Mater. Sci. Eng. A, 611 (2014), 162-169, https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.05.049 11. C. Y. Ho and J. G. Duh, Quantifying the dependence of Ni(P) thickness in ultrathin-enepig metallization on the growth of - intermetallic compounds in ing reaction, Mater. Chem. Phys. 148 (2014), 21-27 https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2014.06.072 12. H. B. Kang, J. H. Bae, J. W. Lee, M. H. Park, Y. C. Lee, J. W. Yoon, S. B. Jung and C. W. Yang, Control of interfacial reaction layers formed in -3.5Ag-0.7/ electroless Ni-P joints, Scr. Mater. 60 (2009), 257-260, https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2008.10.017 13. J. W. Yoon, H. S. Chun and S. B. Jung, Investigation of interfacial reaction and joint reliability between eutectic -3.5Ag and ENIG-plated substrate during high temperature storage test, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 18 (2007), 559-567 https://doi.org/10.1007/s10854-006-9085-4 14. T. B. Massalski, H. Okamoto, P.R. Subramanian and L. Kacprzak, Binary Alloy Phase Diagram, second ed., ASM International, Materials Park, OH, (1990), 1442-1446 15. J. W. Yoon, S. W. Kim and S. B. Jung, Interfacial reaction and mechanical properties of eutectic -0.7/Ni BGA joints during isothermal long-term aging, J. Alloy. Compd. 391 (2005), 82-89 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.09.001 16. S. S. Ha, J. K. Jang, S. O. Ha, J. W. Kim, J. W. Yoon, B. W. Kim, S. K. Park and S. B. Jung, Mechanical Property Evaluation of -3.0A-0.5 BGA Solder Joints Using High-Speed Ball Shear Test, J. Electron. Mater. 38 (2009), 2489-2495 https://doi.org/10.1007/s11664-009-0916-y 598 Journal of Welding and Joining, Vol. 35, No. 6, 2017