무연솔더와 Ni-Zn 하부금속층 사이의 계면반응 연구

Abstract

각종 전자 제품의 급속한 발달과 IT 사회의 도래로 인하여 다기능화, 소형화, 그리고 경량화가 증가되는 있는 시점에서 특히 반도체의 전기적 성능이 반도체 자체의 성능 보다는 패키징과 이에 따른 전기 접속에 의해 결정되고 있다. 실제로 고속 전자제품의 전체 전기신호 지연은 전반이상이 칩과 칩 사이에서 발생하며, 많은 외부활동으로 인하여 내구성과 편리성을 요구되고 있으므로 패키징 기술의 중요성이 더해지고 있다. 이에 따라 칩의 가장자리만을 통해서만 접속을 시키던 기존 방법과는 달리 칩의 모든 면적을 활용하는 ball grid array와 플립칩(flip-chip) 기술이 급속도로 사용되고 있다. 그 중에서 플립칩은 1960 년대에 개발된 기술로서 칩과 기판을 서로 마주보는 상태로 하여 칩의 패드에서 기판으로 접속하여 전기적, 기계적으로 연결하는 기술을 말하며, 패키지 내부에서 플립칩 방식으로 접속하는 플립칩 인 패키지(flip chip in package)와 기판 위에 bare chip 또는 wafer level chip scale package를 flip-chip 방식으로 실장하는 flip chip on board로 분류 할 수 있다. 이러한 flip-chip의 장점으로는 인턱턴스, 저항 그리고 커패시턴스를 낮추고, 전기적 지연을 줄이며, 좋은 고주파 특성을 갖는 것과 동시에 QFP보다 크기와 무게 감소 효과가 있다. 또한 기존의 패키지에서 이용하는 가장자리만을 접속 경로로 활용하는 형태에서 플립칩의 area array 형태는 Input-Output (I/O)수를 증가 시킬 수 있으며, 칩과 기판 사이에 언더필(underfill)은 높은 신뢰성을 보장한다. 이러한 반도체의 소자, 전자부품 및 최근의 멀티미디어 제품 등의 내부 소자간 와 단자 사이의 접합 방법으로 솔더링 공정이 사용되고 있다. 과거 주로 사용되었던 주석-납 (Sn-Pb) 솔더는 가공이 용이하고 녹는 온도가 낮으며, 가격이 저렴하여 광범위하게 이용되었으나, 납이 인체에 흡수되면 단백질과 결합하여 신경장애, 지능장애 등을 초래하기 때문에 무연솔더의 접합공정에 관한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 한편 리플로 공정 시 솔더 내의 주석과 하부금속층(under bump metallurgy, UBM)의 계면 반응으로 인해 취성이 강한 금속간화합물이 생성되어 솔더의 접합 강도를 약화시켜 신뢰도를 저하되는 문제점이 발생한다. 따라서, 본 연구에서는 기존의 Cu, Ni(V) UBM대신 Ni – Zn 합금을 UBM으로 이용하기 위해 스퍼터링을 통해 형성시켰다. 이때 증착 압력을 다르게 하여 UBM을 형성시킨 다음 시편 위에 스텐실 마스크를 이용하여 솔더 분말과 플럭스가 혼합된 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 페이스트를 도포한 후 리플로 공정을 통하여 솔더 범프를 형성시키는 스텐실 프린팅 방법을 이용하였다. 계면 반응 후 초기의 금속간 화합물의 상은 (Cu,Ni)6Sn5와 (Ni,Cu)3Sn4상이 동시에 관찰되었으며, 시효처리를 1000시간까지 실시한 결과 같은 종류의 UBM을 사용하였지만 증착 압력에 따라 박막의 응력으로 인해 금속간 화합물에 거동에 영향을 주는 것으로 나타났으며, 증착 압력이 낮은 시편에서 금속간 화합물의 성장이 둔화되었다. 또한 Ni 시편에 비해 Ni-Zn시편에서 보다 금속간 화합물의 성장이 감소하는 결과를 얻을 수 있다. 위의 결과를 바탕으로 solder를 조성에 변화에 따른 실험을 하였다. 전해도금을 이용하여 주석 범프를 형성시키고 Cu의 함유량을 증가시킨 Sn-1.0Ag-0.7Cu 솔더 페이스트를 사용하여 금속간 화합물의 성장속도를 비교하였다. Sn 솔더와 반응시킨 Ni 또는 Ni-Zn시편 모두 Ni3Sn4상이 형성되었고, Sn-1.0Ag-0.7Cu solder에서는 두 시편 모두 (Cu,Ni)6Sn5상이 생성되었다. 시효처리 시간이 증가에 따라 금속간 화합물이 증가하였지만 Cu가 함유된 솔더를 이용한 시편이 보다 금속간 화합물의 성장이 감소되었으며, Ni-Zn시편의 경우 솔더의 변화에 상관없이 Ni에 비해 금속간 화합물이 억제되는 경향이 나타났다. 특히 Cu가 함유된 Sn-1.0Ag-0.7Cu 솔더의 경우에는 Ni시편에서는 시효처리 후 (Ni,Cu)3Sn4상이 Ni과 (Cu,Ni)6Sn5상 사이에서 층상 형태로 성장하였지만 Ni-Zn 시편에서는 (Ni,Cu)3Sn4상 형성되지 않아 금속간 화합물의 성장이 둔화된 것으로 나타났다. 이를 통해, Zn가 첨가된 UBM을 사용시 Sn원자와 Ni 원자의 확산을 방해하는 Zn-rich layer가 생성되어 금속간 화합물의 성장을 억제시킨 것으로 판단되며, Sn-1.0Ag-0.7Cu 솔더와 Ni-Zn사이의 계면 반응 시 Sn이나 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더를 사용하였을 때 보다 적은 금속간 화합물의 생성 원인으로는 Zn의 고용도가 매우 낮은 (Cu,Ni)6Sn5상이 계면 전체에 형성되었기 때문에 다른 솔더에 비해 계면에 많은 Zn-rich layer가 형성되었고, 그로 인해 Sn와 Ni의 확산을 억제시키는데 효과적으로 작용한 것으로 판단된다. 본 실험의 결과를 통해 금속간 화합물을 억제시키는 방안으로 금속박막을 증착 시 증착 압력을 감소시키거나 기존에 사용하고 있는 Ni UBM에 Zn를 첨가시키는 방법을 제시되었지만 Ni UBM에 Zn를 첨가하는 방법이 증착 압력을 조절한 것에 비해 금속간 화합물을 크게 억제시키는 것으로 나타났다. 또한 추가적으로 Cu가 함유된 솔더를 사용시 많은 (Cu,Ni)6Sn5상이 형성되어 (Cu,Ni)6Sn5상 아래에 Zn-rich이 증가함에 따라 (Ni,Cu)3Sn4상의 억제를 통해 효과적으로 금속간 화합물이 억제되는 것을 알 수 있다.