Electroless Ni-P UBMs combined with screen-printing of solder pastes are one of the low cost flip-chip bumping techniques. Pb-free solder bumps on electroless Ni-P UBM can be easily fabricated because various Pb-free solder alloy pastes are available. Therefore, studies on interfacial reactions between electroless Ni-P UBM and Pb-free solders should be investigated, because they are greatly affected by small amount of alloying such as Ag, Cu, and Bi in Pb-free solders. Reliability of Pb-free solder bumps can be greatly affected by intermetallic growth and P-rich Ni layer at the interface. Recently, Pb-free solder alloys such as SnAg, SnAgCu, SnCu, and SnAgBi have been suggested for promising candidates for substituting Sn37Pb solder. In this study, various Pb-free alloys were selected as solder bump materials for electroless Ni-P UBM. The effects of Ag and Cu in Pb-free alloys on interfacial reactions and bump reliability at electroless Ni-P/solder interfaces were investigated.
It was found that typical Ni-Sn reactions between electroless Ni-P and Sn-based solders were substantially changed by adding small amount of Cu in Sn-based Pb-free solder alloys. In Cu-containing solder bumps, $(Cu,Ni)_6Sn_5$ phase formed during initial reflow, followed by $(Ni,Cu)_3Sn_4$ phase formation during further reflow. During aging, $(Cu,Ni)_6Sn_5$ phase slowly changed into quaternary IMC composed of Cu, Ni, Sn, and small amount of Au. Au atoms in the quaternary IMC originated from immersion Au plated on electroless Ni-P UBM. During further reflowing or aging, $(Ni,Cu)_3Sn_4$ IMC started forming due to the limited Cu content in solder. Morphology, composition, and crystal structure of each IMC were identified using TEM and SEM. Small amounts of Cu in solder affects the types of IMC phases and amount of IMC. The activation energies of $(Cu,Ni)_6Sn_5$ and $(Ni,Cu)_3Sn_4$ IMCs were used to estimate growth kinetics of IMCs. The growth of IMCs formed in aging showed very slow and temperature-dependent rather than that of IMCs formed in reflow due to higher activation energies of IMCs in aging. Comparing activation energies of each IMCs, growth mechanism of IMCs at electroless Ni-P/SnAgCu solder interface were discussed.
Sn3.5Ag solder bump showed much faster electroless Ni-P UBM consumption rate than Cu-containing solder bumps: Sn4.0Ag0.5Cu and Sn0.7Cu. The initial formation of $(Cu,Ni)_6Sn_5$ phase in SnAgCu and SnCu solders significantly reduced the consumption of Ni-P UBM. 0.7wt% of Cu-containing solder showed slower UBM consumption rate than 0.5 wt% of Cu-containing solder below 300 ℃ reflow temperature. The growth rate of $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMC was determined by vacancy diffusion of Ni atoms into Cu sub-lattice. Cu contents in solder alloys only affected total amount of $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMC. The consumption rate of Ni-P UBM was much slower in SnAgCu and SnCu alloys than in SnAg alloys during solder reflowing. And, SnAgCu and SnCu solders also showed lower Ni-P UBM consumption rate than SnAg during aging. Especially, more Cu-containing Sn0.7Cu solder showed lower Ni-P UBM consumption than SnAg0.5Cu solder at the same heat treatment condition. Consumption of Ni-P UBM can be reduced by adding Cu, because Cu addition initially causes $(Cu,Ni)_6Sn_5$ phase rather than $Ni_3Sn_4$ phase.
Bump shear test results showed that all failure occurred through inside of soft solders. And, shear strength was proportional to ultimate tensile strength of solder alloys. However, because P-rich Ni layer has been reported as a brittle failure site, it is suggested that Cu-containing Pb-free solder alloys such as SnAgCu and SnCu showing lower interfacial reaction rate with Ni-P UBMs are more preferable with Ni-P UBMs.
In addition, mechanical behaviors of Pb-free and Sn37Pb solder joints during thermal deformation of a Si chip and a PCB substrate were also investigated. After flip-chip solder joint assembly, thermal deformation of flip-chip packages was measured using a real-time Moire interferometry with an optical chamber. Before underfilling, relatively larger shear deformation and less warpage was observed in Sn37Pb solder than in Pb-free solders during -20~120 ℃ thermal cycling test. Especially at high temperature excursion, higher tendency of Sn37Pb to creep and stress relaxation compared with Pb-free solders was observed. Higher thermal fatigue reliability of Pb-free solder joints than Sn37Pb solder joint was observed because of relatively less shear deformation. However, warpage of Pb-free solder joints during high temperature excursion may cause axial strain and stress during the cooling stage of solder reflow, resulting in a brittle joint failure. After proper underfilling, both solder bumps showed the same thermal deformation.
Thermal cycling test (-55~125 ℃) results showed that Pb-free solder joints as well as Sn37Pb solder joint were highly reliable over 1000 cycles. In order to obtain more reliable Pb-free solder joints, stress concentration at the solder joints should be reduced by controlling reflow parameters such as peak temperature and cooling rate before underfilling.
무전해 니켈 UBM과 63SnPb, Sn3.5Ag, Sn4.0Ag0.5Cu, Sn0.7Cu 솔더 범프와의 계면반응 및 신뢰성에 대해 연구하였다. 무전해 니켈과 63SnPb, Sn3.5Ag 솔더 범프와의 계면에서는 $Ni_3Sn_4$ 금속간 화합물이 형성되며 부수적인 반응으로 P의 축적이 일어나 금속간 화합물 아래쪽에 P-rich Ni layer가 형성된다. 회절 패턴 분석을 통해 P-rich Ni layer는 $Ni_3P$, $Ni_{12}P_5$ 등의 결정질 상과 비정질 상이 혼합되어 있는 것으로 확인되었으며, P의 과포화로 인해 비정질에서 결정질 상으로 변태되고 있는 층이다. Ni과 Sn의 금속간 화합물은 $Ni_3Sn_4$ 상 이외의 상을 발견되지 않는다.
무전해 니켈과 솔더의 계면반응시 Ni의 확산, Sn의 확산, P의 확산이 일어난다. 계면사진으로 나타난 원자들의 이동, 무전해 니켈의 P의 양에 무관한 금속간 화합물의 성장, diffusion marker를 사용시 Sn의 확산방향과 반대방향으로 움직이는 marker 이동 등과 같은 결과는 무전해 니켈과 솔더의 반응시 Sn의 아래쪽으로의 확산에의해 전체반응을 좌우되는 것으로 생각된다.
최근 무연솔더로 다양하게 응용되고 있는 SnAgCu의 3원계 솔더와 무전해 니켈 UBM과의 계면반응 및 신뢰성을 조사하여 SnAgCu 솔더의 무전해 니켈 UBM과의 적용가능성을 평가하였다. 0.5 wt% Cu의 첨가로 인해 Ni-Sn 계의 금속간 화합물이 아닌 Cu-Sn 계의 금속간 화합물이 형성된다. Reflow시 Cu의 계면으로의 확산으로 인해 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 상이 가장 먼저 형성되며 Cu의 확산이 줄어들게 되면 $(Ni,Cu)_3Sn_4$ 상이 형성된다. $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 상은 각진 형태를 가지며 $(Ni,Cu)_3Sn_4$ 상이 형성되는 시점에서 UBM으로부터 분리되어 비정상적인 성장 거동을 보인다. 시효시에도 역시 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 상과 $(Ni,Cu)_3Sn_4$ 상이 관찰된다. 하지만, 용융 솔더에 녹아있던 Au가 계면으로 확산됨에 따라 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 상은 Au가 5 at% 가량 포함된 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 초격자 상으로 변화한다. 또한, 시효시에 생성되는 금속간 화합물은 모두 층구조를 가지며 UBM으로부터의 분리나 비정상적인 성장거동을 보이지 않는다.
0.5 wt%의 Cu로 인해 금속간 화합물의 형성자체에 큰 영향을 주며 UBM의 소모속도와 솔더 조인트의 신뢰성에도 큰 영향을 주게 된다. Sn3.5Ag, Sn4.0Ag0.5Cu, Sn0.7Cu의 솔더범프와 무전해 니켈 UBM의 계면반응속도를 조사해 본 결과, Cu를 포함한 솔더에서 UBM의 소모속도가 현저히 줄어듬을 확인하였다. Cu의 첨가로 인해 Cu-Sn계의 금속간 화합물이 형성됨으로서 Ni의 소모를 크게 줄이게 된다. 300 ℃ 이상의 높은 reflow를 제외하고는 Cu의 농도가 클수록 UBM의 소모속도가 줄어들며, 이는 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 상의 형성구간이 늘어나기 때문이다. Sn3.5Ag 솔더에서는 금속간 화합물의 솔더내로 떠오름이 발생하기 때문에 용융상태의 Sn이 쉽게 계면으로 확산될 수 있으며, UBM의 소모속도 역시 다른 솔더에 비해 월등히 빠르다. 계면반응만을 살펴보면 Cu를 포함한 솔더가 무전해 니켈 UBM의 소모를 월등히 줄여줄 수 있기 때문에 이상적으로 여겨진다. 하지만, 솔더의 기계적인 성질, 용융 온도 등을 고려하여 Cu의 양을 결정하여야 한다.
Sn37Pb 솔더와 여러 무연 솔더를 사용하여 플립칩 접속 공정을 수행한 뒤, 솔더 조인트의 신뢰성을 평가하였다. 언더필 전 무연 솔더 조인트에서 취성 파괴가 관찰되었으며, pure Sn에 비해 Ag가 포함된 무연 솔더 조인트에서 쉽게 파괴된다. Si 칩과 PCB의 휘어짐 측정을 통해 플립칩 접속 공정 중에 Si칩과 PCB의 열팽창 계수 차이로 인하여 PCB의 휘어짐이 나타나고 있음을 확인하였다. Sn37Pb 솔더에서는 상온에서의 빠른 creep에 의해 PCB의 휘어짐이 빠르게 완화(relaxation)되며, 무연 솔더에서는 이러한 creep이 빠르게 진행되지 않아 PCB의 휘어짐이 상온에서도 유지된다. 이러한 Si 칩과 PCB의 휘어짐 차이로 인해 솔더 조인트에 걸리는 응력이 커지게 되어 무연 솔더 조인트에 취성 파괴를 유발한다. Moire interferometry를 통해 온도에 따라 변화하는 Si 칩과 PCB의 휘어짐 거동을 정량적으로 분석하였다. Sn37Pb 솔더는 고온에서 쉽게 소성 변형하여 Si 칩과 PCB가 솔더 조인트에 제약을 받지 않고 팽창하지만, 무연 솔더에서는 솔더 조인트에 의해 Si 칩과 PCB의 팽창이 제약을 받아 휘어짐이 나타난다. 이러한 Si 칩과 PCB의 휘어짐은 솔더 조인트에서의 creep 성질에 의해 좌우되며, 언더필 전의 솔더 조인트에서 취성 파괴를 막기 위해서는 creep 변형이 쉽게 일어나는 솔더 합금을 선택해야 한다. 즉, Ag가 포함된 솔더 합금에 비해 pure Sn 또는 Sn0.7Cu 솔더 조인트에서 취성 파괴를 줄일 수 있다. 언더필 후에는 솔더 합금에 관계없이 매우 우수한 신뢰성이 나타남을 확인하였다.
