Interfacial reactions between electroplated Cu film and Sn-based solders were conducted to investigate the mechanism of Kirkendall voiding at the solder/Cu interface, and remedies for suppressing the voiding phenomenon were suggested in terms of solder alloying and pre-annealing method.
In the 1st chapter, the formation of multiple layered Kirkendall voids at Cu/Sn-3.5Ag solder joints was investigated. Sn-3.5Ag solder balls were reacted with Cu UBM (under bump metallurgy) which was electroplated using SPS (bis-sodium sulfopropyl-disulfide, C6H12O6S4Na2) additive. The sequence of multilayer Kirkendall voids and Cu-Sn IMC (intermetallic compounds) formations are explained with the aid of cross-sectional SEM (Scanning electron microscopy) micrographs and schematic diagrams. During the ageing treatment at 150ºC, layers of Cu6Sn5/Cu3Sn formed at the solder joints and Kirkendall voids nucleated at the Cu3Sn/Cu interface due to the segregation of residual S originating from SPS. However, with Kirkendall void growth net section area of the Cu/Cu3Sn interface decreased and the Cu flux into Cu3Sn was inhibited. As the atomic ratio of Cu against Sn in the Cu3Sn dropped, transformation of Cu3Sn into Cu6Sn5 ensued. Subsequent diffusion of Sn atoms into the remaining Cu UBM through the remaining ligament of the Cu6Sn5/Cu interface precipitated secondary Cu3Sn beneath the primary Cu3Sn/Cu interface and the secondary Kirkendall voids formed at the new Cu3Sn/Cu interface and so on.
In the 2nd chapter, binary Sn-Ag solders with varying amounts of Ag (0.5, 2.0, and 3.5 wt. %) were reacted with Cu UBM which was electroplated with SPS additive, and the characteristics of Kirkendall void formation at the solder joints were investigated. The results indicate that the propensity to form Kirkendall voids at the solder joint decreased with the Ag content. Subsequent AES analyses showed that Ag dissolved in the Cu UBM reduced the segregation of S to the Cu3Sn/Cu interface, which suppressed the nucleation of Kirkendall voids at the interface.
In the 3rd chapter, ternary Sn-3.5Ag-xFe solders with varying amount of Fe; 0.1, 0.5, 1.0, and 2.0 wt. % were reacted with Cu UBM which was electroplated using SPS additive and characteristics of Kirkendall void formation at the solder joints were investigated. Results indicate that the propensity to form Kirkendall voids at the solder joint decreased with the Fe content. It showed that Fe dissolved in the Cu UBM and reduced the segregation of S atoms to the Cu3Sn/Cu interface, which suppressed the nucleation of Kirkendall voids at the interface.
In the 4th chapter, Cu UBM which was electroplated with SPS additive was pre-annealed at varying temperature (T=400, 500, 600ºC). Sn-3.5Ag solder was reacted with pre-annealed Cu film, and the characteristics of Kirkendall void formation at the solder joints were investigated. The results indicate that the propensity to form Kirkendall voids at the solder joint decreased with pre-annealed temperature increased. SIMS analyses showed that pre-annealing reduced S contents in the Cu UBM, which suppressed the nucleation of Kirkendall voids at the solder joints.
In the last chapter, the formation and the migration of voids by recrystallization in the electroplated Cu are presented. The Cu film was electroplated with SPS additive, and annealed at 400°C for varying times. We focus our research on the effect of annealing temperature and the thickness of the barrier layer (Cr) on the behavior of voids in the electroplated Cu films. The results show that voids which were formed at the grain boundary triple junction migrated to the surface of the Cu film by recrystallization during the annealing process, and the fraction recrystallized increased as the annealing temperature increased. The triple junction of grain boundaries could be the preferred nucleation site by unaccommodated grain boundary sliding.
전해도금 Cu와 Sn솔더의 반응 시 계면에서 발생하는 Kirkendall void는 패키지의 신뢰성을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 패키지가 포함된 전자제품의 생명을 단축시키는 문제를 야기한다. 본 논문에서는 전해도금 Cu와 Sn솔더 반응 시 생성되는 Kirkendall void의 생성기구를 분석하고 억제하는 방법으로 합금과 열처리 공정을 제시한다. 또한 전해도금 Cu 내부에서 발생되는 재결정에 의한 기공의 이동현상에 대한 원리를 분석하였다.
먼저 제1장에서는 Cu와 Sn-3.5Ag솔더의 반응에서 다층 Kirkendall void의 생성 현상에 대해 기술하였다. Sn-3.5Ag솔더를 SPS가 첨가된 구리 도금욕에서 증착된 Cu박막과 반응시켰고 연속적으로 150°C 저온 열처리를 통하여 계면을 관찰하였다. 그 결과 Kirkendall void는 SPS로부터 기인한 S의 계면 편석 효과로 인해 Cu3Sn/Cu 계면에서 쉽게 핵생성 될 수 있었다. 그러나 생성된 Kirkendall void로 인해 Cu박막으로부터 Cu3Sn으로의 Cu flux가 억제되는 반면 Sn의 확산은 Sn솔더에서 지속적으로 이루어지므로 Cu3Sn층이 점차 Cu6Sn5층으로 변태되었다. Cu6Sn5와 Cu의 계면에서 생성된 Kirkendall void에 의해 완전히 끊어지지 않은 부분을 통해 Sn이 Cu로 확산해 들어가고 제2 Cu3Sn층이 Cu박막 내부에서 생성되었다. 생성된 제2 Cu3Sn층과 Cu계면은 Kirkendall void가 생성될 수 있는 장소를 제공하고 계면에서 앞서 기술한 변태과정을 지속적으로 일으키게 되어 다층 Kirkendall void가 형성될 수 있다.
제2장에서는 2원계 Sn-Ag솔더를 Cu와 반응 시 발생하는 Kirkendall void의 생성에 Ag의 함량이 미치는 영향에 대하여 분석하였다. 실험에 사용된 Cu박막은 SPS가 함유된 도금욕에서 증착되었다. 실험 결과 Sn솔더에 함유된 Ag의 함량이 금속간화합물의 성장에는 큰 영향을 미치지 못하였으나 솔더에 함유된 Ag의 함량이 증가할수록 계면에서 형성되는 Kirkendall void의 생성은 억제 되었다. AES분석 또한 Ag가 Cu와 솔더의 반응 시 Cu 내부에 용해되어 Cu3Sn과 Cu의 계면으로 S가 편석되는 것을 막아주고 있다는 것을 입증한다.
제3장에서는 3원계 Sn-3.5Ag-xFe (x=0.1, 0.5, 1.0, 2.0 wt.%)를 SPS가 포함된 도금욕에서 증착된 Cu박막과 반응 시 계면에서 발생하는 Kirkendall void의 억제효과에 대해 분석하였다. 실험 결과 Kirkendall void는 Fe의 함량이 증가할수록 생성이 억제되었고 0.1과 0.5 wt.% 시편에 비해 1.0과 2.0 wt.% 시편에서 더 큰 억제효과를 볼 수 있었다. 뿐만 아니라 960시간의 열처리 이후에도 Kirkendall void가 존재하지 않는 계면을 관찰할 수 있었는데 이는 궁극적으로 패키지의 신뢰성을 크게 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
제4장에서는 도금된 Cu박막을 Sn솔더와 증착 전 400~600°C의 온도에서 2시간 동안 열처리하였다. 열처리된 Cu박막과 Sn솔더의 반응 후 150°C에서 시효처리를 한 결과 계면에서 생성되는 Kirkendall void는 온도가 증가할수록 억제되는 효과를 볼 수 있었으며 특히 500°C와 600°C에서 2시간 열처리된 Cu박막의 경우 계면에서 Kirkendall void가 전혀 생성되지 않는 효과를 거둘 수 있었다. 그러나 400°C에서 열처리된 시편의 경우에는 Kirkendall void가 여전히 생성되었고 그 양 또한 열처리하지 않은 시편과 비슷하였다. 열처리된 Cu박막을 SIMS로 분석한 결과 500°C와 600°C에서 열처리된 시편은 C과 S의 함량이 열처리하지 않은 시편에 비해 크게 줄어들었으며 이는 S의 계면 편석으로 인한 Kirkendall void 생성에 크게 영향을 준 것으로 여겨진다. 그러나 400°C에서 열처리된 시편은 열처리하지 않은 시편보다 오히려 높은 S와 C함량을 보여주고 있었으며 이는 400°C 시편의 경우 열처리 온도가 충분히 높지 않아 S와 C이 Cu박막 내부에서 표면으로 이동하고 있는 과정이기 때문인 것으로 추정된다.
마지막 장에서는 도금된 Cu박막의 재결정 과정으로 인한 void의 생성과 이동에 대해 분석하였다. SPS가 포함된 도금욕에서 증착된 Cu박막은 300~400°C의 온도에서 30분에서 12시간동안 열처리 되었다. 현상을 관찰하기 위해 변수로서 도금욕에 포함되는 SPS함량, 열처리 온도와 Cr층의 두께를 조절하였다. 실험 결과 결정입계의 삼중점에서 발생하는 void는 재결정 현상에 의해 열처리 과정 동안 Cu박막의 표면으로 이동하였으며 재결정분율은 열처리 온도를 높일수록 증가하였다. 결정입계의 삼중점은 sessile dislocation이 쌓이거나 dislocation dipole의 이동으로 인한 wedge가 생기기 쉬운 곳이므로 void가 우선적으로 핵생성 될 수 있다. 생성된 void는 도금된 Cu박막과 Cr의 계면에서부터 시작된 재결정으로 인해 이동할 수 있었다.
