The performance of microelectronic devices has been rapidly improved. To achieve the performance, the electronic packaging should satisfy the requirements, such as the high number of Input/Output(I/Os) for the higher integration microelectronics, the lower inductance for the faster devices, and the smaller footprint for the mobile applications.
So far, tin-lead solder has been widely used in microelectronic packaging for its beneficial electrical and mechanical properties. But, the motions of banning Pb which is toxic for human health and environment are expanded worldwide and especially for electronic products. So, increased environmental and health concerns regarding the toxicity of lead have stimulated research and development of alternative, lead-free solders. Lead-free solders have to satisfy various requirements such as safety, economy, material availability, manufacturability and long-term reliability. At present, most candidates for lead-free solder alloys are based on Sn-based solders such as Sn-3.5Ag, Sn-3.0Ag-0.5Cu(all in wt.% unless specified other wise).
In order to apply lead-free solders successfully to microeclectronic device, proper Under Bump Metallization(UBM) has to be selected. The promising candidates for UBM material are Ni, electroless Ni(P), and Cu. Recently, Ni(P) has been studied widely. Cu has many advantages such as low cost and simple process. But, Cu is vulnerable to humidity and high temperature and also form Kirkendall void which might cause some mechanical reliabilty concerns. Electroless Ni(P) has many advantages such as good corrosion resistance and uniform deposition thickness. However, brittle fracture can be occurred at solder joints because of IMC spalling and formation of $Ni_3P$ and Ni-Sn-P layer. Kirkendall void formation on Cu and brittle fracture on Ni(P) degrade mechanical reliability.
In the present work, interfacial reaction and mechanical reliability of Sn-3.5Ag, Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-3.5Ag-xZn(x=1.0, 3.0, and 7.0) were studied. Cu and electroless Ni(P)/Au UBM was used to invesgate the interfacial reaction. Ball shear test, lap shear test, and drop test were performed to assess to mechanical reliability of solder joint with Cu and Ni(P)/Au pad. Also, thermal aging effect was studied.
When Zn was added to Sn-3.5Ag, Cu-Zn, Cu-Sn, and Ag-Zn IMCs were formed on Cu pad and Ni-Zn, Ni-Sn, and Ag-Zn IMCs were formed on Ni(P)/Au pad. Especially, the additon of Zn prohibited the formation of Ni3P and Ni-Sn-P layer. The results of ball shear test showd ductile fracture in all compositions. So, Ball shear test didn't show correlation between interfacial reaction and mechanical reliability. Lap shear test was performed under two conditions, shear speed of 0.2 mm/min and 3.0 mm/min. At 3.0 mm/min, only Sn-3.5Ag and Ni(P)/Au combination showed partial brittle fracture which was occurred at $Ni_3P$ and Ni-Sn-P layer. The results of ball shear test and lap shear test showed that the addition of Zn decreased ductility. In drop test, lead-free solders bearing Zn were able to maintain the higher number of drop to failure. Especially, the number of drops to failure extremely increased on Ni(P)/Au pad. As mentioned, above brittle fracture was prevented because of the suppression of $Ni_3P$ and Ni-Sn-P layer formation by addition of Zn.
지금까지 Pb-Sn 솔더는 전기적, 기계적 특성이 우수하여 전자패키징에 광범위하게 사용되어 왔다. 그러나 Pb의 독성으로 인하여 사람과 환경에 유해하기 때문에 전세계적으로 Pb의 사용이 금지되고 있는 추세이다. 이러한 사람과 환경에 대한 고려는 Pb를 대체하는 무연솔더에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 무연솔더는 안전성, 비용, 공정의 편의성, 신뢰성등을 고려해야 하는데 현재까지 Sn-3.5Ag, Sn-3.0Ag-0.5Cu(앞으로 특별한 언급이 없는 한 wt.%를 말함)와 같은 Sn-based 솔더가 유력한 후보이다.
무연솔더를 전자패키징에 적용하기 위해서는 적절한 Under Bump Metallization(UBM)을 사용하여야 한다. UBM물질로는 NI, Cu, 무전해 Ni(P)가 후보군이라 할 수 있다. 최근에는 무전해 Ni(P)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 실정이다. Cu는 저비용, 공정의 단순함 등의 장점이 있으나 산화가 쉽고 고온에서 Kirkendall void를 형성하는 문제가 있다. 한편 무전해 Ni(P)의 경우 부식, 산화등에 강하고 일정한 두께로 UBM을 형성 할 수 있는 장점이 있으나 솔더와 반응하여 취성파괴를 일으키는 $Ni_3P$ 와 Ni-Sn-P층을 형성하는 문제가 있다. Cu pad에서의 Kirkendall void와 무전해 Ni(P)에서의 취성파괴는 전자패키징의 기계적 신뢰성을 저하시킨다.
본 연구에서는 Sn-3.5Ag, Sn-3.0Ag-0.5cu, Sn-3.5Ag-xZn(x=1.0, 3.0, 7.0Zn) 무연솔더의 계면 반응과 기계적 신뢰성에 대하여 연구하였다. UBM은 Cu와 무전해 Ni(P) 2가지를 사용하였고 이들의 계면 반응을 관찰하였다. 솔더 접합부의 기계적 신뢰성을 평가하기 위하여 ball shear test, lap shear test, drop test를 시행하였으며 시효처리 효과도 관찰하였다.
Zn가 첨가되는 경우 기존에 보고된 Sn-3.5Ag, Sn-3.0Ag-0.5Cu와는 다르게 Cu pad에서는 Cu-Zn, Cu-Sn, Ag-Zn 금속간 화합물이, 무전해 Ni(P) pad에서는 Ni-Zn, Ni-Sn, Ag-Zn 금속간 화합물이 생겨났다. 특히 Zn가 첨가되는 경우 취성파괴를 유발하는 $Ni_3P$ 와 Ni-Sn-P층의 형성이 억제되었다. Ball shear test를 한경우 파괴는 솔더내부로 일어나는 연성파괴를 나타내었으며, lap shear test를 한 경우 3.0 mm/min에서 Sn-3.5Ag솔더와 무전해 Ni(P) pad에서 일부 취성파괴가 일어났다. Drop test의 결과 Zn가 첨가된 경우 신뢰성이 향상되었다. 특히 무전해 Ni(P) pad에서 크게 향상된 것을 확인하였다. 이는 앞서 언급한 바와 같이, Zn가 첨가된 경우 취성파괴를 유발하는 $Ni_3P$ 와 Ni-Sn-P층의 형성이 억제되었기 때문이다.
