Electroless nickel immersion gold(ENIG) plating has been widely used as UBM of PCB and BGA owing to its selective deposition properties with uniform thickness, good solderability and corrosion resistance. However, formation of Ni3P and NiSnP at the solder/UBM interface increased the susceptibility of the solder joints to brittle cracking, and many efforts were made to improve the solder joint reliability by changing the solder composition. In contrast, less efforts were paid to the modification of the UBM composition.
In this work, effects of W addition to the electroless Ni(P) UBM on the solder joint reliability were investigated by preparing Ni-xW-5P and Ni-xW-9P films. Three levels of W were introduced at two fixed level of P; 5 and 9 wt%. In the absence of W, the P content corresponds to nanocrystalline and amorphous film structures, respectively. The W content in the film varied from 5 to 22 wt%. Characteristics of the NiWP films, interfacial reaction with Sn-3.5Ag solder and the impact resistance of solder joints were investigated by conducting DSC, XRD, SEM, EDAX, TEM and drop tests. Tungsten increased the thermal stability of the film raised the crystallization temperature. The crystallinity decreased with the W content in the film, quite abruptly over 16wt% W in Ni-5P films. Ni lattice dilated with the W content in the fims which suggest that W atoms partition in the Ni lattice because W is quote solube in the Ni solid solution.
The drop impact resistance of the Sn-3.5Ag/Ni-xW-9P joints was improved remarkably with the W content in the UBM, which was a direct consequence of the elimination of $Ni_3Sn_4$ spalling from the UBM. Additions of W up to 16 wt% did not suppress IMC spalling completely, but 22 wt% W did up, which increased the number of drop to failure (Nf) from 50 to over 300. TEM study showed the presence of an amorphous $(Ni,W)_3P$ layer between $Ni_3Sn_4$ and the original 22W9P and 16W5P UBM. However, a crystallized $(Ni,W)_3P$ layer between 5W9P, 4W5P UBM and $Ni_3Sn_4$ was found after 1min. reflow. It can be known that the content of W in the film is effective parameter to form amorphous or crystallized $(Ni,W)_3P$ layer.
The crystallinity of the NiXP films was investigated by measuring FWHM. It was identified that Re, Mo, W was the crystalline and Tl, Cu, Co, Fe, Zn, Mn was amorphous films. All of Crystalline films suppressed the growth of $Ni_3Sn_4$ compared to Ni5P film. Tl, Cu, Co, W elements in the amorphous films did not suppress the $Ni_3Sn_4$ spalling, however, W, Fe, Zn, Mn suppressed the IMC spalling effectively. From the spalling map, commercial Ni(P) UBM can be replaced to NiXP films which have 4~8 wt% P and 4~20 wt% X content. In this study, W and Re which was effectively suppress the IMC spalling and $Ni_3Sn_4$ growth was chosen as X element.
NiWP 박막의 W, P 조성에 따른 영향을 관찰하기 위하여 P의 조성을 5, 9 wt%로 고정하고 W을 3가지 레벨로 무전해 도금하였다. 각 시편은 P의 조성에 따라 결정성이 결정되었지만 16W5P의 경우 W에 의해서 비정질상을 갖게 되었다. 260℃에서 열처리시 모든 시편은 as plated 상태와 유사한 상태를 유지하였으며 500℃에서 열처리시 NiWP 박막은Ni과 $Ni_3P$ 상으로 상변태가 발생하였다. W은 Ni과 고용체를 이루어 Ni(111)면의 면간 거리를 확장시켰으며, $(Ni,W)_3P$ 상으로 NiWP 박막의 열처리시 mass conservation을 만족하는 반응식을 확립하였다. NiWP 박막의 DSC 분석을 통해서 박막에 증착되는 W의 양이 증가할수록 결정화되는 온도(Tp)가 증가되는 것을 확인하였으며 이것은 증착되는 W의 양이 증가할수록 Ni-W 고용체에서 W이 고용되는 양도 증가하여 결정화에 필요한 Ni의 확산을 방해하는 역할을 하기 때문이다.
Ni5PxW과 솔더의 반응시 W의 존재가 $Ni_3Sn_4$ 의 성장을 억제하는 것을 확인하였으며 4W5P의 경우가 가장 효과적으로 억제하였다. Ni9PxW과 솔더와의 반응시 22W9P의 시편의 경우 $Ni_3Sn_4$ IMC가 spalling되지 않았지만 나머지 시편은 모두 spalling되었다. NiWP 박막과 솔더의 반응시 5W9P, 4W5P와 같이 증착된W의 양이 적으면 결정화된 $(Ni,W)_3P$상이 관찰되었다. 하지만 22W9P, 16W5P처럼 W의 함량이 크면 결정화 되지 못한 비정질의 $(Ni,W)_3P$층이 형성되었으며, 이런 특성이 $Ni_3Sn_4$ 의 spalling을 억제하였다. Spalling이 일어나지 않은 22W9P의 경우 낙하 테스트에서도 300회 이상의 우수한 결과를 보였다. 즉 Ni(P) UBM에 존재하는 W은 Ni의 확산을 억제하여 $Ni_3Sn_4$의 성장을 막고 $Ni_3P$의 결정화를 방지하여 spalling을 억제한다.
NiXP 박막의 결정성을 판단하기 위해 as plated 상태에서 Ni(111)면의 FWHM을 조사하였다. Re, Mo, W의 경우 결정립의 박막으로 구분 되었고 나머지 Tl, Cu, Co, Fe, Zn, Mn의 경우는 비정질상으로 확인되었다. 결정립을 갖는 박막의 경우 Ni5P UBM과 비교시 $Ni_3Sn_4$의 성장을 억제하는 것으로 나타났으며, 비정질상을 갖는 원소들 중에서 Tl, W, Cu, Co는 spalling을 억제하지 못하였으며 W, Fe, Zn, Mn은 spalling이 억제되었다. Spalling map에서 무전해Ni(P) 박막을 대체 가능한 NiXP 박막은 4~8 wt % 정도의 P의 함량과 4~20 wt% 정도의 X 조성을 갖는 시편이 적합한데 W과 Re이 적절한 X 원소로 선택될 수 있다.
