주석-은-구리 합금 솔더 조성이 BGA 패키지의 낙하 충격 신뢰성에 미치는 영향

Abstract

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.