무연 솔더와 Ni-Cu 합금 UBM 간의 계면 반응 및 신뢰성에 관한 연구

Abstract

전자 패키지의 초소형화, 고밀도화, 신호전달의 고속화 등에 의해서 컴퓨터, 전자기기, 통신기기, 멀티미디어 시스템 등 전자 산업의 급격한 발전이 이루어지고 있다. IC의 집적화, 미소화를 통한 효율성을 더욱 향상시키기 위해서는 회로 설계 단계에서 공정상의 한계를 극복하여야 하며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 전자 패키징에서의 부품간 접속 기술 발전이 필요하다. 칩 접속 단계에서 패키징 기술의 향상은 집적화 및 미소화된 패키지의 접속 부위에서의 inductance 등의 전기적 특성을 만족시키고, 열전달 및 기계적 신뢰성을 보장하도록 하는 패키지를 설계해야하며, 각 부위의 특성에 적합한 재료의 선택이 필요하다. 전자 부품의 실장에 사용되는 솔더합금은 63Sn-37Pb 합금을 비롯한 Pb-Sn계 솔더 합금이 가장 널리 사용되어왔으나, 인체 및 환경에 유해한 까닭에 전세계적인 사용규제 움직임이 확산되고 있으며, 많은 나라에서 전자 제품에서의 납 사용을 금지하는 법제화가 추진되고 있다. 이에 따라 많은 연구자를 통해 무연 솔더가 개발되어지고 있으며, 그에 적합한 무연솔더용 솔더 접합층 연구도 활발히 진행되고 있다. 무연 솔더용 솔더접합층(UBM)으로 전기 도금법을 이용한 Ni-Cu 합금을 개발하였다. 개발한 Ni-Cu 합금 UBM층을 형성시키고, 각 조성별 합금층과 무연솔더와의 계면 반응을 분석하였다. Ni-Cu 합금 UBM 및 솔더 내의 구리 양이 증가할수록 UBM 소모 및 금속간화합물의 두께도 증가하며, 특히 (Cu,Ni)6Sn5 상의 성장이 뚜렷하다. (Ni,Cu)3Sn4 상 금속간 화합물은 솔더의 조성에 영향을 받지만, 반응 시간에는 큰 영향을 받지 않는다. 금속간 화합물과 소모된 UBM 두께를 측정하여 솔더에 녹아들어간 구리와 니켈의 양을 계산한 결과, 리플로우 시간이 길어질수록 솔더로 녹아드는 니켈과 구리의 양은 증가하지만, Sn-3.5Ag 솔더의 고용도 미만이다. UBM으로서의 적합성을 평가하기 위하여 sessile drop 방법과 wetting balance (WBT) 방법으로 Ni-Cu 합금 UBM과 솔더와의 젖음각을 측정하였다. 무연 솔더와 Ni-Cu UBM 간의 젖음각은 두 방법에서 비슷한 범위를 나타낸다. wetting balance 방법으로 구한 Ni-Cu 합금과 솔더의 젖음력은 UBM 내의 구리 함량에 따라 변하며, 순수한 구리보다는 낮은 젖음력을 가지지만 니켈과는 큰 차이를 보이지 않는다. 이러한 특성으로 보아 무연 솔더용 UBM으로의 사용 가능성을 기대할 수 있다. 또한 본 연구를 통하여 Ni-Cu 합금 UBM과 Sn-3.5Ag-0.7Cu 솔더 간의 표면 장력은 UBM의 구리 조성에 따라 1520 ~ 1610mN/m의 범위를 가짐을 알 수 있다. WBT에서 솔더와 기판 간의 젖음 속도는 Ni-Cu 합금 UBM 내 구리 조성 및 솔더 온도가 증가함에 따라 증가하며, 젖음 높이의 제곱은 젖음 반응 시간에 직선적으로 비례한다. 최종적으로 Ni-Cu 합금의 UBM으로써의 적합성을 평가하기 위하여 -40~125℃ 온도 구간에서 열싸이클 실험을 수행하였다. 열사이클 실험 결과 Flip-chip 패키지 구조로서는 기존의 보고 결과보다 상당히 긴 수명시간을 가졌으며, Ni-Cu 합금 조성에 따른 패키지의 수명시간은 거의 비슷한 결과를 보였으나, Sn-3.5Ag 솔더를 적용한 경우보다는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더를 적용한 패키지가 더 긴 수명 시간을 갖는다.