For 3-D multi packaging, step soldering is the key packaging technology because solder bump which connects chip to chip should not melt at next reflow. For step soldering, high melting temperature and low melting temperature solder are needed. 97Pb-3Sn(320℃) and 63Pb-37Sn(183℃) were used for step soldering. However, 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 application. In this study, Sn-3.0Ag-0.5Cu (217℃) and Sn-57Bi-1Ag (139℃) were selected for combination structure. Sn-57Bi-1Ag (139℃) becomes liquid over 139℃. Then, the composition of Sn in Sn-3.0Ag-0.5Cu diffuses to Sn-57Bi-1Ag and the composition of Bi in Sn-57Bi-1Ag diffuses to Sn-3.0Ag-0.5Cu. By diffusion, new composition which has high re-melting temperature is formed. Therefore, this combination structure will not melt at next reflow.
This study can be divided by 2 parts. First, the microstructure was investigated as reflow temperature, reflow cycle and the amount of Sn-57Bi-1Ag changed. The proportion of Sn-Bi eutectic decreased as reflow temperature increased. However, there was little difference by changing reflow cycle. And continuously grown β-Sn at interface interrupted diffusion between Sn-3.0Ag-0.5Cu and Sn-57Bi-1Ag. IMC formed between UBM and Sn-57Bi-1Ag was $(Ni,Cu)_3Sn_4$ and the thickness was from 0.8μm to 1.3μm as reflow temperature increased. Second, ball shear test and lab shear test was experimented for mechanical property. The result of ball shear strength and lab shear strength increased as temperature increased. And there were two types of fracture surfaces. First fracture surface was observed between Sn-Bi eutectic and $(Ni,Cu)_3Sn_4$. Second, fracture was observed at UBM. Optimized conditions are selected based on the results of microstructure analysis and mechanical test.
좀 더 다양한 기능과 작은 크기를 갖는 전자 제품을 위하여 고집적이 가능한 3D 패키지 기술이 개발 되어지고 있다. 멀티 패키징의 경우 이전 단계에서 솔더링 된 솔더는 다음 IC칩 적층 시에 녹으면 안되기 때문에, 단계적인 솔더링이 필요하다. 이러한 단계 적인 솔더링은 고융점 솔더와 저융점 솔더로 구성 된 복합 구조 솔더에 의하여 가능하다. 본 연구 에서는 고융점 솔더로써 Sn-3.0Ag-0.5Cu를 저융점 솔더로써 Sn-57Bi-1Ag를 선택한 후 리플로우 온도 조건과 리플로우 횟수 그리고 저융점 솔더인 Sn-57Bi-1Ag의 양을 조절 한 후 미세구조와 기계적인 특성을 살펴 보았다.
실험 변수로 리플로우 온도 170,185,200,230℃, 리플로우 횟수 1,2,4회, 페이스트로 존재하는 저융점 솔더인 Sn-57Bi-1Ag를 위한 마스크 사이즈 450×100μm 와 450×50μm를 설정 하였다. 복합 구조 솔더의 메커니즘은 저융점 솔더의 녹는점 이상의 리플로우 온도가 되면 저융점 솔더는 녹게 되고 고융점 솔더와 상호 확산에 의하여 저융점 솔더 내의 조성 변화가 나타나게 되고 변화 되어진 조성에 의해 녹는점이 높아지게 되어 다음 리플로우 시에 녹지 않게 되어 여러 층의 IC칩의 적층이 가능하게 된다. Sn-3.0Ag-0.5Cu와 Sn-57Bi-1Ag 복합 구조 솔더의 경우 응고 경로에 따라서 크게 두 가지 상이 나타나는데, 첫째로 Sn-Bi공정상과 β-Sn 두번째로 β-Sn과 석출된 Bi 상이다. 이때 생성되는 Sn-Bi 공정상은 융점이 140℃ 를 갖기 때문에 다음 리플로우시에 녹게 되어 복합 구조에서 지양해야 될 상이다. 미세 구조 분석결과, 리플로우 온도가 증가 함에 따라 Sn-Bi 공정상이 감소하는 것을 확인 하였지만 리플로우 횟수에 따른 변화는 크지 않음을 확인 할 수 있었으며 저융점 솔더의 양에 따른 차이도 거의 없음을 확인 할 수 있었다. 또한, β-Sn은 계면에서 연속적으로 성장 하였으며, 이렇게 연속적으로 성장한 β-Sn은 Sn-3.0Ag-0.5Cu와 Sn-57Bi-1Ag의 상호 확산을 방해하는 역할을 하고 있다고 생각 되어진다. 금속간 화합물은 두 부분에서 형성 되었는데, Sn-57Bi-1Ag와 UBM계면에서 형성된 $(Ni,Cu)_3Sn_4$ 와 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더가 녹으면서 형성된 $Ag_3Sn$ 이다. $(Ni,Cu)_3Sn_4$ 의 두께는 리플로우 온도 증가에 따라서 0.8μm에서 1.3μm까지 변화 하였고 두께 변화가 작은 것을 확인 할 수 있었다.
Sn-3.0Ag-0.5Cu와 Sn-57Bi-1Ag 복합구조 솔더의 기계적인 특성을 살펴 보기 위해 Ball shear test와 Lab shear test를 실시 하였다. 두 결과 모두 다 리플로우 온도 증가에 따라 shear strength 값이 증가 하였던 반면 리플로우 횟수에는 큰 변화가 없었으며, 마스크 사이즈 450x50μm인 경우 shear strength가 크게 나타났으며 경향성은 거의 비슷하였다. Bi는 취성이 강하기 때문에 기계적 성질을 감소시킨다는 연구가 많이 보고 되어지고 있다. 미세구조 분석에서 리플로우 온도가 증가 함에 따라 Sn-Bi 공정상이 감소 하는 것을 확인 할 수 있었으며, 이에 Bi에 의한 취성 효과가 감소하여 리플로우 온도가 증가 함에 따라 shear strength 값이 증가 된다고 해석 되어진다. 파단면 분석 결과 두 실험 모두 다 $(Ni,Cu)_3Sn_4$ 근처의 Sn-Bi 공정상에서 발생 되었다. 또한 냉각 속도에 따른 기계적 성질을 알아보기 위하여 공냉 조건과 수냉 조건에서 각각 기계적인 성질을 비교 해 본 결과 수냉 조건인 경우 더 높은 값을 나타났으며, 이는 Sn-Bi공정상이 수냉의 경우 더 미세해지는 것을 확인 할 수 있었는데 이러한 상의 미세화에 기인하는 것으로 해석 되어진다.
미세구조와 기계적인 특성을 토대로 Sn-3.0Ag-0.5Cu와 Sn-57Bi-1Ag를 이용한 복합구조 솔더의 최적화된 공정 조건을 찾아 보았다. 우선, 리플로우 온도가 증가 함에 따라 Sn-Bi공정상의 분율이 작아지기 때문에 리플로우 온도는 높아야 하지만 230℃ 의 경우는 Sn-3.0Ag-0.5Cu(217℃) 솔더볼이 녹기 때문에 200℃를 선택 하였다. 리플로우 횟수에 따른 변화는 나타나지 않았으며, 마스크 사이즈는 450×50μm인 경우의 shear strength 값이 450×100μm 보다 더 크게 나타났으므로 450×50μm인 경우를 선택하였다. 정리하면 리플로우 온도는 200°C, 마스크 사이즈 450×50μm을 사용한 경우가 Sn3.0Ag-0.5Cu/Sn-57Bi-1Ag 복합 구조 솔더의 최적 공정 조건이었다.
