미세 무연 솔더볼이 계면 반응 및 솔더 조인트 신뢰성에 미치는 영향에 대한 연구

Abstract

본 연구에서는 솔더볼의 미세화가 솔더볼과 기판 사이의 계면 반응에 미치는 영향 및 솔더 조인트에 미치는 영향에 대해 고찰하였으며 특히 접속 계면에서 형성되는 금속간화합물의 성장 거동 및 솔더 조인트에서의 물성 변화에 대해 살펴보았다. Cu/OSP 패드와의 계면 반응 시에는 솔더볼의 크기가 작아질수록 Cu6Sn5 금속간화합물의 두께 및 크기는 증가한다. 리플로우가 진행될 때 Cu/OSP 패드의 Cu는 액상 솔더가 Cu 의 고용 한계에 도달할 때까지 솔더 내로 고용된다. 이 후 Cu 고용 한계에 도달하면 Cu는 금속간화합물의 성장에 주로 기여하기 때문에 급격하게 성장하게 된다. 솔더볼의 크기가 감소하게 되면 패드 면적 대비 솔더볼의 부피 (A/V) 비율이 증가하게 되는데 이 비율은 리플로우 시 액상 솔더로 Cu의 고용 속도를 빠르게 하는 원인이 된다. 리플로우 시 액상 솔더로의 Cu의 고용 속도가 빨라지면 금속간화합물의 성장이 보다 빠르게 일어나기 때문에 솔더볼의 크기가 작아질수록 금속간화합물의 성장이 촉진되는 것으로 생각된다. 전해니켈골드 패드와의 계면 반응 시에는 솔더볼의 크기가 작아질수록 Cu-rich한 금속간화합물에서 Ni-rich한 금속간화합물로 점차 변화하는 현상이 관찰되었다. 전해니켈골드 패드와의 계면에서 형성되는 금속간화합물은 솔더 내 Cu의 함량에 매우 민감하다. Cu의 공급원은 솔더에 한정되어 있기 때문에 솔더 내 Cu의 함량이 충분해야 Cu-rich한 금속간화합물이 형성된다. 400 um 이상의 솔더볼에서는 솔더 내 Cu의 함량이 0.5 wt.%만 되어도 Cu-rich한 금속간화합물이 형성되지만 그 이하 크기의 솔더볼에서는 Ni-rich한 금속간화합물이 형성되기 시작하고 200 um 이하의 솔더볼에서는 Ni-rich한 금속간화합물만이 형성된다. 이는 솔더볼의 조성이 동일해도 크기가 감소함에 따라 금속 패드와 반응할 수 있는 Cu의 양이 줄어들기 때문이다. 좀 더 미세한 솔더의 계면 반응을 알아보기 위해 TSV 더블 범프 구조에서의 계면 반응에 대해 연구하였다. 솔더의 양의 작아지면 패드의 산화를 방지하기 위해 얇게 도포된 Au 원소가 솔더 내에 모두 고용되지 못하고 계면 반응에 참가하여 기존의 Cu-Sn 2원계 금속간화합물이 아닌 CuSnAu 3원계 금속간화합물이 형성된다. 또한 기존의 BGA나 CSP의 솔더 조인트와는 달리 매우 적은 솔더의 양으로 인해 금속간화합물이 전체 솔더 면적의 45%에 가깝게 형성되며 500 시간 고온 열처리 이후에는 금속간화합물이 67% 정도의 면적을 차지하게 된다. 이는 신뢰성에 악영향을 미칠 것으로 생각된다. 마지막으로 솔더볼이 작아짐에 따라 솔더 벌크의 물성 및 조인트에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 솔더볼의 크기가 작아질수록 리플로우 후 냉각 시에 솔더가 더 많이 과냉되어 미세한 입자를 가짐으로써 솔더 벌크가 강화되었다. 특히 100 um 크기의 솔더볼에서 과냉도가 40 oC 이상으로 200 um 이상 크기의 솔더볼에 비해 2.5배 가량 높았으며, 솔더 벌크의 물성 또한 볼 전단 강도 및 경도 측면에서 10% 이상 강화되었다. 하지만 솔더볼이 작아지게 되면 패드 와의 접촉 면적도 작아지게 되고 시뮬레이션을 통한 열싸이클 테스트 시 BGA 패키지에서 솔더볼이 받는 응력을 계산해 본 결과 솔더볼의 크기가 400 um에서 100 um로 줄어들면 약 3배의 최대 표면 응력이 가해지는 것을 확인하였다.