다양한 두께의 팔라듐층에 대한 무전해 니켈/무전해 팔라듐/이멀젼 골드를 이용한 솔더 접합부의 시효처리에 따른 신뢰성 연구

Abstract

플립칩 기술은 1960년대에 개발된 기술로서 칩의 I/O 패드 위에 솔더 볼을 형성하여 이를 기판 위에 뒤집어 솔더를 용융 시켜 접속시키는 기술이다. 플립칩 기술이 와이어 본딩이나 TAB (Tape Automated Bonding) 기술에 비해 갖는 장점은 칩의 패키징 밀도가 높고, 짧은 접속연결로 인하여 전기적 특성이 우수하고, 액상에서 연결하는 공정이기 때문에 솔더 재료의 표면 장력에 의한 자기 정렬의 기능이 있어 극 미세피치의 실장이 가능하다. 최근의 플립칩 기술은 PCB (Printed Circuit Board)와 같은 저가 형태의 플라스틱 기판과 결합하여 활용범위가 크게 확대되고 있다. 따라서, 높은 성능을 얻을 수 있는 플립칩 기술을 가능한 한 저가의 비용으로 가능케 하는 기술들이 각광을 받고 있다. 플립칩 기술을 이루는 여러 가지 요소기술 가운데 하부 금속층 (Under Bump Metallurgy)의 형성기술과 솔더 범프의 형성기술은 가장 큰 비용을 차지하는 기술들이며 이 기술들에 대한 비용 감소를 통해 저가형 플립칩을 구현할 수 있다. 그 중에서 무전해 Au/Ni(Immersion Au/ electroless Ni, ENIG) 하부 금속층과 솔더 스텐실 프린팅 기술을 조합한 플립칩 기술은 가장 비용적으로 유리한 기술이다. 오늘날 전자산업에서는 솔더 접합과 와이어 본딩의 신뢰성을 위해 ENIG 를 사용하는데, 이멀젼 금의 공정에 의해 ENIG는 Ni 부식 문제로 블랙패드(black pad) 현상이 있으며, 이것은 ENIG 의 신뢰성 저하를 야기 시키며, Au의 고가로 인해 공정비용도 높다. 이 단점의 대안으로 ENEPIG (immersion Au/ electroless Pd/ immersion Au) 가 개발 되었다. 본 연구에서는 ENEPIG의 다양한 두께로 Pd층을 증착하여 리플로로 솔더와 접합하였을 시 금속간화합물(intermetallic compound, IMC) 성장 및 미세구조에 따른 신뢰성테스트를 하였다. 760 μm의 지름을 갖는 BT(bismaleimide triazine)기판에 ENIG와 ENEPIG패드에 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 볼을 사용하여 260℃에서 20 초간 리플로 하였다. 이 시편을 적당히 자른 후, 150℃ 에서 시효처리 전과200, 500, 1000시간 동안 시효처리 하였다. 고속접합테스트는 각 시효시간에 따라 500 mm/s와 1000 mm/s의 속도로 전단 강도 테스트를 실시하였다. 타 연구자와 마찬가지로 솔더링 후에 가리비 모양의 (Cu, Ni)6Sn5 금속간화합물이 솔더와 기판 사이 계면에 형성되었다. (Cu, Ni)6Sn5 의 두께는 ENIG가 ENEPIG 보다 조금 더 두꺼웠고 Pd의 함량이 증가 할수록 타 논문과 같이 (Cu, Ni)6Sn5 두께는 얇아지고, Pd 두께가 0.7 μm 이상에서는 (Pd, Ni)Sn4 금속간화합물이 발견된다. 그리고 ENIG가 ENEPIG 두 시편 모두Ag3Sn, Ni-Sn-P, Ni3P 금속간화합물도 발견된다. 시효처리 시간이 증가할수록 Ag3Sn와 Ni-Sn-P 금속간화합물은 증가하고, Ni3P 금속간화합물은 미세하게 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 시효시간이 증가함에 따라 솔더와 ENIG와 ENEPIG 사이 계면에서 금속간화합물의 전체 두께는 모두 증가하였으나, ENIG시편의 금속간화합물 성장속도가 ENEPIG시편보다 더 빠르다. 그리고 ENIG시편은 시효시간에 따른 금속간화합물 두께가 포물선 형태로 나타나 금속간화합물의 성장은 체확산에 의해 이루어진다는 것을 확인할 수 있었다. 시효시간에 따라 실시한 전단강도 테스트 결과로는 시효시간이 증가할수록ENIG 와 ENEPIG 패드 모두 전단강도의 값은 감소하였고, 모든 시편에서 테스트 후 패드 위에 전체적으로 솔더가 남아있는 솔더 내의 연성 파괴 또는 각 금속간화합물 사이에서 파괴가 발생하여 취성 파괴를 보인다. 또한 같은 시효시간에서 ENIG의 전단강도가 ENEPIG 의 전단강도보다 낮게 나타났으며, Pd 두께가 0.7~1.0 μm는 시효처리 시간이 증가함에 따라 솔더 내에 존대하던 (Pd, Ni)Sn4 금속간화합물이 계면으로 re-deposition 되어 (Cu, Ni)6Sn5 금속간화합물 위에 존재하는데 이 두 금속간화합물 사이에서 파괴 모드가 발생되고, 그로 인해 전단강도 값도 급격히 떨어진다.