In recent years advanced interconnection technology such as flip-chip technology and ball grid array (BGA) is enabling microelectronic packaging to move toward finer pitches, higher speed, greater packaging densities and lighter weight. In flip-chip technology and BGA, the electronic components are interconnected electrically and mechanically to the substrate by solder bumps and solder balls, respectively. Thereby the interconnection by the solder joint is essentially important in the electronic packaging. Generally the interconnection by the solder joint is completed by the formation of intermetallic compound (IMC) at the interface between the solder and the substrate. The presence of IMCs formed during the liquid soldering influences the solder joint reliability. The presence of interfacial IMCs usually improves the wettability of liquid solder by reducing the interfacial energy between the liquid solder and the substrate and indicates that a good metallurgical joint has formed. However, a solder joint may become embrittled if excessive amounts of IMCs are formed at solder joint during a soldering operation or in use. IMCs that have grown at the molten solder-base metal interface could lead to the loss of strength at this interface under certain loading conditions. The influence of the interfacial IMCs upon the solder joint reliability increases as the size of solder bumps becomes smaller for the advanced packaging applications such as BGA, CSP (Chip Scale Package) and WLP (Wafer Level Package).
Generally, there are two largely different types of grain morphology of interfacial IMCs at the solder joint. One is scallop-shaped and rough (rounded) type and the other is polyhedral-shaped and faceted type. The typical example of scallop-shaped and rough (rounded) type IMC is $Cu_6Sn_5$ which usually forms on soldering of Sn-rich alloys on Cu substrate and the typical example of polyhedral-shaped and faceted type is $Ni_3Sn_4$ which forms on soldering of Sn-rich alloys on Ni substrate. By the reaction of molten solder alloy with compositions of 96.5Sn-3.5Ag with either the thick Cu or the thick Ni substrate at 250℃, the rounded $Cu_6Sn_5$ grains formed over Cu and the faceted $Ni_3Sn_4$ grains precipitated over Ni. As the soldering time changed from 1 min to 60 min, normal grain growth occurred for rounded $Cu_6Sn_5$ grains while abnormal grain growth (AGG) mode was observed for faceted $Ni_3Sn_4$ grains. The measured grain size distributions also confirmed the difference between normal grain growth and abnormal grain growth. Also the transition in morphology of $Ni_3Sn_4$ grains that formed at the interface between liquid Sn-3.5Ag solder and Ni substrate has been observed at 250 ∼ 650℃. The morphological transition of $Ni_3Sn_4$ is due to the decrease of entropy of formation of the $Ni_3Sn_4$ phase and has been explained well by the change of Jackson’s parameter with temperature. According to the variation of solder joint strength with temperature, it decreased rapidly between 350℃ and 450℃, where the thickness of the $Ni_3Sn_4$ layer was around 6.5$\mu$m. However, the solder joint strength decreased slowly with increase of soldering time without a significant drop although the thickness of IMC was larger than 6.5$\mu$m. The notable drop of solder joint strength and the fracture mode transition with an increase of the soldering temperature appears to come from excessive lateral growth of IMC grains between 350℃ and 450℃.
The $Cu_6Sn_5$ phase formed in the reaction of molten Sn-Ag-Cu solder alloy with a composition of up to 1wt.%Cu. The shape of $Cu_6Sn_5$ grains was changed from facet type to round type with increasing soldering time and increase of Cu content. The transition of the $Cu_6Sn_5$ grains shape was explained by Cu content in the solder. The lower Cu content causes the dissolution of interfacial IMC, therefore the IMC grains have facet face. With the increasing soldering time, the dissolution of interfacial IMC is stopped and the shape of $Cu_6Sn_5$ grains become round because the molten solder are saturated by substrate element. The thickness of interfacial $Cu_6Sn_5$ layer was thicker with Cu content at the early stage of soldering, however the growth rate decreased more quickly with increasing soldering time. This phenomena was explained by lateral growth of IMC grain and reduction of grain boundary. The thickness of interfacial $Cu_6Sn_5$ layer and lateral size of $Cu_6Sn_5$ grains between molten Sn-3.0Ag-0.5Cu solder alloy and Cu substrate increased with soldering temperature. However the shape of $Cu_6Sn_5$ grains became more faceted because the solubility of Cu in molten solder increased with soldering temperature.
A numerical method has been developed for calculating the thickness of interfacial IMC layers formed between Cu substrates and solders during the soldering process. Comparison between experimental results and calculated results showed that the numerical method predicted well the IMC layer thickness during soldering by reflow profile. Calculation of the IMC thickness also showed that dissolution has a significant effect on the growth behavior of an interfacial IMC. Also a convection of molten solder at an early stage of soldering was found during soldering by calculation.
전자패키징(electronic packaging)은 생산된 반도체 칩을 실제 사용이 가능하도록 처리해주는 것을 의미한다. 따라서 반도체 칩을 사용하여 만드는 제품인 컴퓨터 본체 및 서버를 만드는 작업도 전자패키징의 넓은 의미에 포함된다. 그러나 일반적으로는 생산된 반도체 칩을 PCB(printed circuit board) 기판 등에 실장할 수 있는 부품의 형태로 만드는 것을 의미한다.[1-5]
전자 패키징 산업에서 칩과 기판, 칩과 칩, 기판과 기판을 전기적, 기계적으로 연결해 주는 솔더로는 Pb-Sn 조성의 합금이 많이 사용되어왔다. Pb-Sn 솔더의 납은 환경과 인체에 유해하기 때문에 납을 함유하지 않고 기계적 특성이 향상된 무연솔더를 사용하려는 시도가 진행중이다. 또한 납과 같은 어떠한 유독성의 재료도 함유하지 않은 “green” 전자 부품은 소비자들의 욕구를 만족시키고 있기 때문에 무연솔더의 필요성이 더욱 대두된다.[6-12]
한편 멀티미디어 및 이동통신 산업의 발전과 함께 컴퓨터, 노트북, 휴대폰, 기타 전자부품은 소형화, 경량화 추세로 가고 있다. 전자 패키지의 소형화와 표면실장기술의 발전에 따라 패키지 내의 솔더의 신뢰성이 중요시되고 있다. 칩이 100℃ 이상의 고온에서 작동하기 때문에 크리프 현상과 기판과 칩간의 CTE(Coefficient of Thermal Expansion) 불일치에 의한 thermomechanical 피로에 의해 솔더접합부의 신뢰성이 저하된다. 따라서 솔더의 신뢰성을 높이는 한가지 대안으로 솔더 기지에 강화재 입자를 분산시킨 복합 솔더에 관한 연구가 진행중이다. 시도되는 강화재로서는 금속간 화합물, 탄소 섬유, 산화물 입자 등이 있으며 그 중에서도 솔더의 전기적 특성을 저하시키지 않고 제조하기 쉬운 금속간 화합물이 많이 연구되고 있다.[13-18]
강화재가 첨가된 복합 솔더는 상온에서의 높은 기계적 특성과 고온에서 보다 우수한 내크리프성, 그리고 향상된 고주기 피로특성을 가지는 것으로 발견되었다. 그 예로 가장 널리 사용되어지는 $Cu_6Sn_5$ 강화 복합 솔더는 일반 monolithic 솔더에 비해 20 ~ 100% 정도 증가한 기계적 특성을 보이며 10배 이상 향상된 고주기 피로수명이 보고되고 심지어는 100배 이상의 증가도 보이고 있다. 이는 강화재들이 입계 미끄러짐을 억제하여 크리프에 대한 저항성을 높여 줄 뿐만 아니라 솔더와 기판 사이의 과도한 계면 반응층의 형성을 억제하여 열피로 하에서의 솔더 접합부의 신뢰성을 향상시키는 것으로 사료되어진다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 적절한 강화재 선택이 매우 중요하다. 적절한 강화재가 첨가된 복합 솔더는 큰 강도의 증가 없이 monolithic 솔더보다 오히려 더 큰 연성을 가지기도 한다.[19-30]
Ni은 UBM 재료로 가장 널리 사용되어지는 금속의 하나로 리플로우 솔더링 공정과 전자 제품의 사용 중에 솔더와 직접적으로 접하는 재료이다. 그러나 Ni 기판에서의 솔더 젖음성이나 접합성이 Cu 기판에서와 비교해 좋지 않은 특성을 보인다. 또한 Sn/Cu/Ni 3원계와 Ni을 함유한 솔더 자체에 대한 연구는 아직도 미약한 실정이다.
연구 목표
복합 솔더를 연구하는 그룹의 지금까지 연구는 대부분 creep 및 열적 기계적 피로 (thermo-mechanical fatigue) 등의 기계적 특성 위주로 진행되어 왔다.[19-30] 복합 솔더는 creep 및 피로 특성이 일반 monolithic 솔더에 비해 월등히 높음에도 불구하고 실제 산업 분야에서의 응용되는 것은 극히 제한적이었다. 이는 복합 솔더의 제조가 일반 솔더에 비해 복잡하고 비경제적이었던 이유도 있었지만 아직 연구되지 않은 복합 솔더의 다른 특성에 대한 검증이 필요해서라고 생각한다.
따라서 본 연구에서는 1) Ni을 함유한 복합 솔더의 효과적인 제조법과 아직 연구되지 않은 복합 솔더의 다른 특성들을 위주로 연구하겠다. Ni 함유 복합 솔더의 특성 평가에는 2) Ni과 Cu 함량에 따른 복합 솔더 강화재 입자의 거동, 그리고 3) 실제 기판에 접합하였을 때 계면 반응, 4) 패키지 사용 환경에서의 미세구조와 기계적 특성 변화, 5) 솔더 접합부의 전기적 특성, 6) 솔더의 산화와 젖음성에 대해 평가하고 데이터 베이스를 구축하여 복합 솔더의 응용분야를 확대해 가는 기초를 마련하겠다.
논문 구성
첫번 째 복합 솔더의 제조에 대한 연구로는 Pb-Sn 솔더를 대체할 무연 솔더에 미세한 금속간 화합물 입자를 강화하여 솔더의 신뢰성을 향상시킨 복합 솔더의 경제적이고 효과적인 제조법을 모색하겠다. 솔더의 구성원소인 Sn 원자는 Cu 또는 Ni 원자와 반응하여 각각 $Cu_6Sn_5$, $Ni_3Sn_4$ 의 금속간 화합물을 형성하기 때문에 이러한 금속간 화합물을 초정으로 솔더 기지내에 정출시킨 다음, 압연(rolling)이나 인발(drawing) 등의 소성가공을 거치게 할 경우 금속간 화합물이 미세한 입자로 파쇄됨과 동시에 소성변형에 의해 균일하게 솔더 기지에 재분포 됨을 증명할 것이다.
둘째 강화재 입자의 거동에 대한 연구로는, 강화재 입자를 만들기 위해 Sn과 금속간 화합물을 형성하는 Cu와 Ni을 첨가하여 복합 솔더를 만들고 이 때 첨가한 Cu와 Ni의 함량과 비율에 따른 강화재 입자의 거동을 관찰하겠다. Cu/Ni 비율에 따라 생성하는 금속간 화합물을 달리할 것이다. Cu/Ni 비율에 따른 금속간 화합물 형성은 Sn-Cu-Ni 3원계의 계면 반응의 이해에도 크게 도움이 될 것으로 기대한다. 또한 리플로우 중 강화재 입자와 솔더 기지의 밀도 차에 의해 야기되는 강화재 입자의 침강현상 역시 Cu/Ni 비에 따른 강화재 입자 형성과 연관시켜 연구할 것이다.
셋째 복합 솔더의 계면 반응에 대한 연구는, 제조한 Ni 함유 복합 솔더를 실제 기판에 접합하여 계면 반응물의 형성과 접합 특성을 평가하겠다. 최근 연구에 따르면 $Cu_6Sn_5$, $Ni_3Sn_4$ IMC는 3원계 용해도를 가지고 있기 때문에 Sn-Cu/Ni 접합부 반응에서 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 와 (또는) $(Ni,Cu)_3Sn_4$ 가 형성된다는 보고가 있다.[31-35, 39,40] $Cu_6Sn_5$는 $Ni_3Sn_4$ 에 비해 성장속도가 매우 빠르기 때문에 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 의 성장은 솔더 접합부의 신뢰성을 확연히 떨어뜨린다. 따라서 Ni 기판에서 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 의 성장을 억제할 경우 신뢰성 향상에 도움이 될 것이다. 또한 Sn-Ag-Cu 솔더에서 $Cu_6Sn_5$ 의 성장이 Sn-Ag에서의 $Cu_6Sn_5$ 에 비해 느리다는 보고가 있는데 이는 솔더 기지와 IMC 내에서의 Cu 농도 구배가 줄어들어 Cu의 흐름이 줄어들었기 때문이다.[36-38] 이와 비슷한 방법으로 Ni 기판 위에서 Ni을 함유한 복합 솔더가 Ni3Sn4 성장 또한 늦출 수 있음을 증명할 것이다.
넷째 전자 장치가 실제 작동할 때 솔더의 기계적 특성 변화를 예측하기 위해 여러 종류의 무연 솔더와 복합 솔더 (composite solder)의 미소경도 (micohardness)를 다양한 열적 기계적 환경에서 측정하겠다. 전자패키지의 실제 사용환경에서 솔더는 다양한 온도에 놓이게 되고 열팽창계수의 차로 인해 소성변형을 격게 된다.[41] 전자 패키징의 고성능, 고집접화, 소형화 추세는 더 높은 전력 소비를 요구하는 것에 반해 솔더 접합부를 더욱 작게 만들어 열 분산을 더욱 어렵게 만든다. 이러한 환경은 은 솔더 접합부가 더 높은 열과 변형을 격게 만든다. Sn의 재결정은 상온에서 일어난다고 알려져 있다.[42] 따라서 작동 환경에서 변형을 격은 솔더는 높은 온도에서 회복과 재결정의 과정을 격어 미세구조와 기계적 특성의 변화를 가져온다.
다섯째 무연 솔더의 전기적 특성과 기계적 특성을 솔더 접합부의 금속간 화합물의 두께와 모양 등의 계면 반응에 따라 측정하겠다. 전기적 결합이 이루어질 때 솔더 접합부에서는 솔더와 기판의 금속 사이에서 복잡한 반응이 일어난다. 솔더 접합부에서 일어나는 반응은 계면 금속간 화합물의 형성과 성장, 고체와 액체의 확산 반응, 금속간 화합물의 석출 등이 있다. [41-43] 계면 반응에 의해 생성된 금속간 화합물은 솔더에 비해 전기 저항이 매우 높고, 기계적으로는 매우 취약한 특성을 가지고있다. 따라서 솔더의 계면 반응은 전기적 기계적 특성에 큰 영향을 미친다. [44] 또한 복합 솔더는 솔더 기지 내에 금속간 화합물 입자를 강화재로 가지고 있기 때문에 그 전기적 특성이 일발 솔더와 다를 것으로 우려하고 있다. 이에 본 연구에서는 다양한 복합 솔더와 무연 솔더의 전기적 특성을 측정하고 계면 반응을 함께 연구하겠다.
