Currently, there are a number of legislations that intended to ban the use of Pb and other toxic materials in electronic packaging. Then there are many studies to replace commonly used Pb-Sn solder alloy. Consequently, Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag-0.7Cu (numbers are all in wt.%) are recommended. Most candidated Pb-free solders are Sn-based solder alloys, and then they have a many problems, such as large growth of $Ag_3Sn$, void formation during aging condition, and the large undercooling in solidification. Recently, many studies have been conducted to solve the problem by adding small elements to SAC solder, such as Co, Zn, Fe, Sb, Ni, In, and Bi.
In this study, the effect of Co addition, from 0.01 to 0.7wt.\%, on Sn-3.5Ag solder bulk properties and interfacial reactions with Ni-P UBM are investigated. For addition of higher than 0.02\%, the undercooling of Sn-3.5Ag solders was significantly reduced together with coarsened microstructures and increased eutectic regions. The hardness value also increased with increased alloying amount.
The interfacial reaction with Ni-P UBM showed that spalling of intermetallic compounds (IMCs) during reflow was prevented in the Sn-3.5Ag-xCo $(x\ge0.02\%)$. And, the addition of higher than 0.1\% Co observed another IMC that plate-shape (Ni-Sn-Co ternary compound). When Co diffused to interface, initially Ni-Co-Sn ternary compound formed and then $(Ni,Co)_3Sn_4$ formed with attached to the interface. Co piled up on P-rich layer. As a result, IMCs spalling were prevented.
최근 전자 패키징 분야에서 환경문제와 인체의 유해성으로 인해 납의 사용을 금지하였다. 그로 인해 기존의 Sn-Pb 솔더 합금을 대체 하기 위한 연구가 활발히 진행되었다. 그 결과 Sn-3.5Ag, Sn-0.7Cu, Sn-3.5Ag-0.7Cu 같은 합금들이 각광을 받고 있다. 하지만 이러한 Sn 합금의 경우 응고시 큰 과냉도로 인해 솔더 내부에 커다란 판상형태의 $Ag_3Sn$ 이 성장하고, 고상시효 시 기공이 생기는 등의 문제점이 여전히 존재하기 때문에 Co, Zn, Fe, Sb, Ni, In, Bi와 같은 원소들을 소량 첨가하여 이러한 문제점을 해결하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 연구에서는 Sn-3.5Ag 솔더에 Co를 0.01에서 0.7wt.%까지 첨가하였을 때 솔더의 벌크 특성과 Ni-P 하부 금속층과의 계면반응에 대해 알아보았다. 0.02wt.\% 이상의 Co가 첨가되었을 때 Sn-3.5Ag 솔더의 과냉도가 급격히 감소하였으며, 공정조직의 양이 늘어나고 조직의 크기가 조대화 되었다. 미세경도도 Co의 첨가로 인해 증가 하였다. Ni-P 하부 금속층과 계면반응에서는 Co가 0.02wt.\% 이상 첨가되면 리플로우 시 금속간 화합물의 spalling 현상이 억제되는 것을 확인 할 수 있었다. Co가 0.1wt.\% 이상이 첨가되면 판상 형태를 갖는 새로운 Ni-Co-Sn 3원계 화합물이 형성되는 것을 확인 할 수 있었다. Co가 계면으로 확산되어 감으로 인해 Ni-Co-Sn 3원계 화합물이 먼저 형성이 된 후 뒤이어 (Ni,Co)3Sn4 상이 계면에 붙어서 형성된다. Co가 P-rich layer에 축적됨으로 인하여 금속간 화합물의 spalling이 억제된다.
