Environmental and health concerns over the use of lead have led to investigation of the alternative Pb-free solders to replace commonly used Pb-Sn solders in microelectronic packaging applications. Most candidates for lead-free solder alloys are based on a eutectic Sn-3.5Ag solder, and presently the leading candidate alloys are eutectic or near eutectic Sn-Ag-Cu alloys. The ternary eutectic composition of the Sn-Ag-Cu system is now regarded close to Sn-3.5Ag-0.9Cu (by experiments) or Sn-3.66Ag-0.91Cu (by phase equilibria calculations) with a melting temperature of 217 ℃ even though the precise composition has been difficult to measure because the β-Sn phase solidifies with a supercooling of about 30 ℃ and in this work, a number of neareutectic Sn-Ag-Cu solders have been selected.
Using the thermodynamic calculation, the liquidus projection of Sn-rich part in Sn-Ag-Cu system was plotted. It consisted of three different primary phase regions; β-Sn, $Ag_3Sn$, $Cu_6Sn_5$. Five solder compositions were selected as a Sn-Ag binary eutectic (1) Sn-3.5Ag, a Sn-Ag-Cu ternary eutectic (4) Sn-3.7Ag-0.9Cu, and three compositions (2) Sn-3.0Ag-0.7Cu, (3) Sn-3.0Ag-1.5Cu, (5) Sn-6.0Ag-0.5Cu, which were from each different primary phase regions. And the variations of the equilibrium phase fraction for the five compositions as temperature was changed were calculated, and the first forming phase at the interface where the above five compositions were soldered on Cu pad was also predicted.
It is believed that the interface reaction products between substrates and solder alloys have a great effect on the mechanical properties of the substrate/solder joint. In addition, the formation of IMC at the interface during soldering plays an important role in wettability of the solder. Accordingly, the reliability of solder joints will be strongly affected by the type and extent of the reaction between solder and substrate metallization. The formation of IMCs at the interface can be affected by compositions of solder alloys, a design of under-bump metallization, and a thermal profile which is applied during soldering and succeeding processes. In the present work, the effect of a thermal profile, especially the variation of cooling rate in post-soldering, on the solder joints was studied using near eutectic Sn-Ag-Cu alloys.
Near-eutectic solder alloys of (1) Sn-3.5Ag, (2) Sn-3.0Ag-0.7Cu, (3) Sn-3.0Ag-1.5Cu, (4) Sn-3.7Ag-0.9Cu and (5) Sn-6.0Ag-0.5Cu, were cooled at different rates after reflow soldering on the Cu pad above 250 ℃ for 60 s. Three different media of cooling were used to control cooling rates: fast water quenching, medium cooling on aluminum block and slow cooling in furnace. The resultant morphology and thickness of the interfacial intermetallic compound (IMC) of the samples were observed together with the lap shear strength of the joint. There was a variation in thickness depending on different solders, which was related with melting temperature and the type of primary phase of each alloy. The thickness of the interfacial IMC $(Cu_6Sn_5)$ layer increased with decreasing cooling rate. Under fixed cooling condition, alloys (1), (3) and (5) revealed larger thickness than that of alloys (2) and (4). Slow cooling produced an IMC buildup of thicker than 10 μm while medium and fast cooling produced a thickness of thinner than 5 μm. The inverse relationship between thickness of the interfacial IMC layer and shear strength was confirmed. In the cases of fast and medium cooling, all the joints revealed a ductile fracture mode (fracture surface is composed of a β-Sn matrix phase) while the slow cooled joints were fractured in a brittle mode (fracture surface is composed of $Cu_6Sn_5$ and $Cu_3Sn$ phases).
The effect of isothermal aging at 130 ℃ for up to 900 hr on growth of IMC, lab shear strength and fracture mode was also reported. The $Cu_3Sn$ layer appeared between the $Cu_6Sn_5$ layer and the Cu pad in all the aged joints, and the $Cu_6Sn_5$ layer grew with aging time. The total IMC thickness showed as before aging for the same cooling rate and the shear strength of the aged joints showed again the inverse relationship with the IMC thickness. On aging after slow cooling, all the joints were fractured in a brittle type while, in medium and fast cooling, there was a transition from ductile to brittle with aging time. A transition region of approximately 5.5 to 8 N in the maximum shear load per bump was found. Ductile fracture was dominant above this level and a brittle one prevailed below. Depending on cooling rates, there was observed a different critical value in thickness: 5 μ m in fast cooling, 8 μ m in medium cooling and approximately 11 to 13 μ m in slow cooling. At the larger thickness than these critical values, the fracture mode was always brittle.
The effect of the Cu contents in solder alloys on the interfacial IMC was also studied. The thickness of interfacial IMC layers decreased until 0.9wt% of Cu in solder alloys but increased again above 0.9wt%. This could be explained using the thermodynamic calculation about the solubility of Cu in liquid solder alloys at 250 ℃ and agreed very well with the experimental results.
The interfacial microstructure and the shear strength when Au/Ni/Cu pad was used were compared with those when Cu pad was used. The inverse relationship between thickness of the interfacial IMC layer and shear strength was again confirmed. It could be known that if the cooling rate after soldering was selected, the thickness of interfacial IMC layer could be predicted and its shear strength could be also expected.
전자패키징 산업에서 일반적으로 사용되고있는 Pb-Sn계 솔더합금을 대체하는 연구가 진행되고 있는 가운데, Sn-3.5Ag 솔더를 중심으로 한 무연솔더 합금들이 가장 유력한 후보합금군으로 연구되고 있다. Sn-Ag-Cu 3원계 합금의 3원계 공정조성은 현재 Sn-3.5Ag-0.9Cu(실험에 의한 값) 또는 Sn-3.66Ag-0.91Cu(상평형 계산에 의한 값)에서 217도의 공정반응온도를 가지는 것으로 알려지고 있지만, Sn이 30도의 과냉각으로 응고되기 때문에 3원계 공정점에 대한 정확한 연구결과는 아직까지 미흡하다고 할 수 있다.
본 연구에서는 열역학 계산을 이용하여 Sn-Ag-Cu계의 Sn-rich 쪽의 liquidus projection을 도시하였다. Liquidus projection은 b-Sn, $Ag_3Sn$, $Cu_6Sn_5$ 등 3가지 초정상영역으로 구성되며, 본 연구에서 사용하게 될 5가지 조성들을 선택하였다. 선택된 5가지 조성은 Sn-Ag 2원계 공정조성인 (1) Sn-3.5Ag, Sn-Ag-Cu 3원계 공정조성인 (4) Sn-3.7Ag-0.9Cu, 그리고 각 초정상영역에 속하게 되는 (2) Sn-3.0Ag-0.7Cu, (3) Sn-3.0Ag-1.5Cu, (5) Sn-6.0Ag-0.5Cu 이다. 그리고 각 조성에 대해서 온도에 따른 평형상분율의 변화를 계산하여 보았으며 Cu pad 위에서 솔더링하였을 경우에 계면에서 가장 먼저 석출하게 될 상에 대해 예측해 보았다.
솔더 합금과 기판사이의 계면반응은 접합부의 기계적 특성에 매우 큰 영향을 미친다고 할 수 있다. 게다가, 솔더링 시에 계면에서 석출하는 금속간 화합물은 솔더의 젖음성에 중요한 역할을 한다고 할 수 있다. 따라서, 솔더 접합부의 신뢰성은 솔더와 기판사이의 계면반응의 형태와 정도에 따라 크게 영향을 받게 된다. 계면에서의 금속간 화합물의 생성은 솔더합금 자체의 조성, 기판층의 구조, 솔더링 도중에 또는 그 이후에 받게 되는 열적 영향 등에 따라 영향을 받는다고 할 수 있다. 본 연구에서는 열적 영향, 특히 솔더링 후의 냉각속도의 변화가 솔더 접합부에 어떻게 영향을 미칠 것인가에 대해 연구하였다.
위에서 선택한 5가지 조성에 대해 솔더링 후 3가지의 냉각방법(수냉, 알루미늄 블록위에서 공기중 냉각, 로냉)으로 냉각을 실시하여 만든 시편에서 계면 금속간 화합물의 형상과 두께를 분석하고 접합부의 전단강도를 측정하였다. 각 솔더합금의 녹는점과 초정상의 종류에 연관되어서 다른 솔더합금에 따라 계면 금속간 화합물의 두께에 변화가 있었다. 그리고, 계면 IMC 층의 두께는 냉각속도가 느려질수록 증가되었다. 냉각속도가 일정한 경우에 있어서, (1), (3), (5)번 합금조성에서 (2), (4)번 합금 조성에 비해 더 큰 두께를 나타냈으며, 두께값은 냉각속도가 느린 경우에 10㎛보다 더 두껍게 나타난 반면에, 보통 냉각과 빠른 냉각의 경우에 5㎛ 보다 낮은 두께를 나타내었다. 계면 금속간화합물 층의 두께와 전단강도사이에는 반비례 관계를 보였다. 빠른 냉각과 보통 냉각의 경우에는 모든 접합부에서 연성 파괴형태를 나타냈으며, 느린 냉각의 경우에서는 취성 파괴 형태를 보였다.
130도에서 900시간 까지 시효처리를 실시하여 금속간화합물의 성장과 lap 전단강도, 파괴 모드에 미치는 등온 시효의 효과를 알아보았다. 모든 시효처리한 접합부 계면에서 $Cu_6Sn_5$ 상과 Cu 층 사이에서 $Cu_3Sn$ 층이 나타나 시효처리 시간이 길어질수록 성장하였다. 그리고 $Cu_6Sn_5$ 상도 계속해서 성장하였다. 전체 금속간화합물의 두께는 같은 냉각속도에서 시효처리 전에 보였던 경향을 그대로 나타냈으며, 시효처리한 접합부의 전단강도는 계면 금속간 화합물의 두께와 반비례 관계를 보였다. 느린 냉각후에 시효처리한 경우에는 모든 접합부에서 취성 파괴모드를 나타낸 반면, 보통 냉각과 빠른 냉각에서는 연성 파괴에서 취성 파괴로의 전이를 보였다. 범프 당 최대 전단력이 5.5 ? 8 N 정도에서 전이 영역을 보이고 있으며 이 이상의 수준에서는 연성파괴가 주도적이고, 이하에서는 취성파괴가 주도적이다. 냉각속도에 따라서 계면 금속간 화합물의 두께값은 파괴모든 전이에 다른 임계값을 나타내었다. 즉, 빠른 냉각속도에서는 5 ㎛, 보통 냉각속도에서는 8㎛, 느린 냉각속도에서는 11 - 13㎛ 정도라고 할 수 있다. 이 임계값 이상의 두께에서는 취성파괴가 나타난다.
솔더합금내의 Cu의 함량이 계면 금속간 화합물에 미치는 영향을 알아보았다. 솔더내 Cu함량이 0.9wt%까지는 계면 금속간 화합물의 두께가 감소하였으나 0.9wt%이상에서 다시 증가되었다. 이것은 250도 액상솔더내 Cu의 고용한도에 대한 상평형 열역학 계산으로 잘 설명되었으며 실험결과와 잘 일치하였다.
Au/Ni/Cu pad를 사용하였을 경우와 Cu pad를 사용했을 경우 계면 미세조직과 전단강도가 어떻게 변화되는지 알아보았으며, 역시 계면 금속간 화합물의 두께와 전단강도에는 반비례적 관계가 성립되었다. 솔더링 후의 냉각속도에 따라서 계면 금속간 화합물의 두께가 결정될 수 있으며, 전단강도값도 예측가능하다는 것을 알 수 있다.
