변형된 Sn-Ag 솔더와 Cu 젖음층 간의 fluxless 접합 특성 연구

Abstract

본 연구에서는 변형된 솔더가 Cu 및 Cu 젖음층과 반응할 때, 플럭스리스 접합에서 솔더의 변형이 젖음 특성에 미치는 영향 및 계면 미세구조에 관하여 관찰하였다. Cu 젖음층은 공기 중에서 100℃로 각각 2, 4시간 의도적으로 산화되었다. 솔더 볼을 기판에 위치시키자마자 0-30 N의 압력으로 변형하였고, 변형 된 솔더 볼들은 300℃에서 30초간 플럭스의 적용 없이 리플로 되었다. 광학 현미경과 에너지 분광 분석 장치가 장착된 주사 전자 현미경을 사용한 시편의 단면 분석을 통해 젖음각 및 스프레딩 면적을 측정하였고 계면 미세구조를 분석하였다. 솔더의 변형이 심화할수록 Cu 또는 산화된 Cu 젖음층 위의 솔더의 젖음각은 감소하였고, 스프레딩 면적은 증가하였다. 반면, Cu 표면의 산화막 두께가 증가할수록 솔더의 젖음성은 저하되었다. 솔더 접합부 계면에서는 주로 Cu6Sn5상의 금속간화합물이 발견되었다. 금속간화합물의 성장은 솔더가 산화된 Cu 젖음층과 반응하였을 때 억제되었다. 반면, 금속간화합물의 두께는 솔더 변형이 심화할수록 증가하였고, 30 N이상에서는 Cu6Sn5상과 Cu젖음층 계면에서 Cu3Sn상의 금속간화합물이 관찰되었다. 이러한 솔더의 변형에 따른 솔더 젖음 특성의 향상은 솔더의 변형에 의해 솔더 젖음을 방해하던 Sn 산화막을 깨뜨리고 순수 Sn을 노출시켜 Cu와의 반응성을 높였기 때문이다. 또한 이 순수 Sn이 솔더 변형 시 가해진 압력에 의해 Cu 젖음층과 잘 밀착되어 리플로 도중에 산화되지 않았기 때문에 얇은 Cu 산화막을 통해 Sn과 Cu가 반응할 수 있었기 때문이다. 솔더의 변형을 이용한 솔더링은 플럭스를 사용한 일반적인 솔더링에서의 젖음 특성에 비해 우수한 성질을 보이지는 않았지만, 플럭스 사용이 제한된 몇몇 환경에서 솔더의 변형을 이용하여 간단한 공정 절차와 적은 비용으로 효율적인 솔더링이 가능하다.