미세 피치에서의 SnAg 무연솔더와 Cu-Zn 젖음층의 계면 반응 및 접합부의 신뢰성 연구

Abstract

최근 IT (Information Technology) 산업의 급속한 발전과 새로운 서비스 요구로 인해 스마트폰 및 타블렛 피씨 등 모바일 기기가 대중화 되면서 그 안에 들어가는 주요 부품인 반도체는 무게와 크기 측면에서 기존 반도체에 비해 더욱 작고 가벼운 방향으로 진화하고 있으며, 다양한 데이터의 처리 및 멀티미디어 기능을 구현하기 위해 한 개의 패키지 안에 복수의 소자 또는 칩을 통합시키는 새로운 방식의 반도체 패키징 기술의 수요가 증가되고 있다. 특히 크기와 무게가 작은 패키지를 요구하는 모바일 통신기기 및 멀티미디어 기기 시장의 급격한 확장은 고집적의 새로운 반도체 패키지 기술의 수요가 비약적으로 증가하고 있다. 이러한 전자 제품의 진화에 따라 빠른 신호처리가 가능한 고성능 반도체 칩의 개발 및 칩과 칩 또는 다른 주변 장치들간의 상호 신호 전달을 위한 전자 패키징 기술의 발전 또한 요구되고 있다. 이러한 반도체 칩의 고속 신호 전달 및 저전력 소비 구현을 위해 칩과 패키지간의 연결 거리를 짧게 하고 I/O Pin Count 수를 높인 Flip Chip 패키지가 점차 확대되고 있는 추세이다. 이러한 Flip Chip 패키지는 솔더 범프를 통하여 칩과 패키지를 전기적으로 연결하도록 되어 있는데, 일반적인 솔더 재료로는 납이 포함된 Pb-Sn 솔더의 우수한 기계적, 물리적, 열적 특성으로 광범위하게 사용되다가 최근 납 사용 규제하는 법안이 제정됨에 따라 납이 들어가지 않는 무연 솔더로 대체하고자 많은 연구, 개발이 활발하게 이루어 지고 있다. 특히 SAC, Sn-Ag 솔더 내에 미량원소를 추가하여 솔더 Joint의 신뢰성을 향상시키고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다. 무연 솔더에 젖음층으로 많이 사용되는 Cu 사용 시 과도한 금속간 화합물 형성 및 Microvoids 등으로 인해 고온 신뢰성에서 취약한 문제점을 개선하기 위해 SnAg 솔더에 CuZn 젖음층을 현재 Flip Chip 패키지에서 양산에 적용되고 있는 가장 미세 피치인 140um Pad에 적용하여 Flip Chip 패키징 후, 기존 Cu 젖음층과의 젖음 특성 및 Thermal Cycling Test, Aging Test 등 신뢰성 특성을 연구하였다. 140um 미세 피치 PCB 기판에 환경적으로 무해한 알칼리계 비시아나이드 CuZn 도금액을 사용하여 CuZn 도금을 하기 위해 여러 도금 조건 (교반, 첨가제, 전류 밀도, 도금 시간, 착화제량 등)을 최적화하였다. SnAg 무연 솔더와 CuZn 젖음층 간의 젖음 특성은 Water Soluble 플럭스를 사용한 결과, 기존 Cu 젖음층과 동등 이상의 젖음 특성을 갖는 것을 알 수 있었고, Thermal Cycling Test 결과, 뚜렷한 차이는 아니지만 SnAg/CuZn 젖음층이 SnAg/Cu 젖음층에 비해 상대적으로 동등 이상의 내열충격 특성을 갖는 것을 확인 하였고, 150℃에서 1000시간까지 Aging Test 한 결과, 기존 Cu 젖음층의 과도한 금속한 화합물 성장, Cu3Sn 및 Microvoids 생성에 따른 전기적 특성 저하 문제가 SnAg/CuZn 젖음층에서는 상대적으로 적은 금속간 화합물이 성장하였으며, Cu3Sn 및 Microvoids 등도 발생하지 않았다. 이러한 과도한 금속간 화합물 성장, Microvoids 등은 적용한 140um 피치대에서는 전기적/ 기계적 특성에 큰 문제가 되지 않을 수 있으나, 향후 100um 피치 이하 특히 3D-IC 구현을 위한 칩 스택킹의 경우, 40um 이하의 미세 피치에서는 상대적으로 작은 포션의 마이크로 솔더로 인해 Flip Chip 본딩 후, 대부분의 솔더가 금속간 화합물로 변화되므로 이러한 초 미세 피치에 CuZn를 젖음층으로 사용할 경우, 열적, 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있어 CuZn 젖음층의 실용화가 될 것으로 예상된다.