In this study, effects of Sn-Ag-Cu solder composition on drop test reliability of ball grid array(BGA) package were investigated.
Sn-Ag-Cu Pb-free solders with $3.0\sim4.0 wt\%$ Ag exhibit significantly poorer drop test reliability than Sn-Pb solder due to the low ductility of solder bulk. The brittle failure of solder joints occurs at intermetallic compound (IMC) layer after drop test. Because the brittle nature of IMC or defects around IMC transfers a stress to the interfaces as a result of the low ductility of solder bulk. For the improvement of the drop test reliability by solder alloys, the low ductility of solder bulk and the IMC control at the interface are needed. In this study, the bulk property of Sn-Ag-Cu solder alloys and interfacial reactions between ENIG and Cu-OSP pad finishes and various Sn-Ag-Cu solder alloys were studied and finally, drop test was performed.
Low Ag solder showed higher ductility than high Ag solder. In the interfacial reaction with ENIG pad finish, Sn1.2Ag0.5Cu0.5Sb solder showed the lowest P-rich Ni layer thickness, because less Ni participated in the formation of $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMCs. In the drop test of BGA package with Cu-OSP pad finish, low Ag solders showed higher drop test reliability. In the drop test of BGA package with ENIG pad finish, Sn1.2Ag0.5Cu0.5Sb solder showed higher drop test reliability compared with other solders due to the thinnest P-rich Ni layer.
본 연구를 통해 각 주석-은-구리 합금 솔더의 조성에 따른 계면 반응과 기계적 물성이 낙하 충격 신뢰성에 미치는 영향에 대해 알아보았다.
무전해니켈 금속 패드와 주석-은-구리 합금 솔더의 계면 반응에서는 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 금속간 화합물과 P-rich Ni layer가 모든 솔더에서 공통적으로 형성되었으며 Sb이 첨가된 Sn1.2Ag0.5Cu0.55b 솔더의 경우 P-rich Ni layer의 두께가 다른 솔더들에 비해 매우 얇게 형성되었다. Cu-OSP 금속 패드와의 계면 반응에서는 Ni이 첨가된 솔더를 제외한 모든 솔도에서 조가비 모양의 $Cu_6Sn_5$ 금속간 화합물이 형성되었으며 Ni이 첨가된 솔더의 경우 Ni이 3 at.\% 내외로 포함 되어 있는 평평한 모양의 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 금속간 화합물이 형성되었다. 장시간 고온 열처리 시 Ni이 첨가된 솔더에서는 $Cu_3Sn$ 금속간 화합물의 두께가 다른 솔더에 비해 매우 얇은 것을 확인하였다.
볼전단 시험과 경도 시험을 통해 솔더의 기계적 물성을 평가하였고, 솔더 내 은의 함량이 높은 강도값을 나타내었다. 미량의 합금 원소에 의한 영향은 솔더 내 은 함량에 비해 미비하였다.
무전해니켈 처리된 BGA 패키지의 낙하 충격 시험 결과 Sb이 첨가된 솔더가 가장 좋은 신뢰성을 나타내었다. P-rich Ni layer에서 파괴가 일어나고 P-rich Ni layer 두께가 얇을수록 낙하 충격 신뢰성이 높은 점으로 보아 솔더 내 Sb의 첨가가 P-rich Ni layer의 형성을 억제시킴으로써 낙하 충격 신뢰성을 향상시키는 것으로 여겨진다.
Cu-OSP 처리된 BGA 패키지의 낙하 충격 시험 결과 솔더 내 은 함량이 가장 낮은 Sn1.0Ag0.5Cu 솔더가 가장 좋은 신뢰성을 나타내었다. 이는 솔더 내 은함량이 낮은 솔더가 기계적 물성 측면에서 높은 연성을 가지고 이로 인해 낙하 충격 시 가해지는 응력을 분산시켜주기 때문이다. 미량의 합금 원소에 의한 영향은 미비하였으며 Nidl 첨가된 솔도의 경우 kirkendall void가 포함된 $Cu_3Sn$의 형성을 억제하기 때문에 장시간 고온 열처리 이후에는 다른 솔더에 비해 높은 낙하 충격 신뢰성을 나타낼 것이라 여겨진다.
