스폴링에 의한 솔더 접합부에서의 계면 강도 감소

Abstract

전자 패키징에서 칩과 기판 사이를 전기적, 기계적으로 연결하기 위한 방법 중 하나로 솔더를 사용하고 있다. 솔더를 이용한 접합 과정에서 흥미로운 이슈 중 하나는 솔더와 하부 금속층(Under Bump Metallurgy, UBM)의 계면에서 발생하는 스폴링 현상이다. 스폴링은 솔더의 젖음층이 얇거나 솔더와 젖음층 사이의 반응이 과도한 경우 발생할 수 있다. 예를 들어 솔더/Cu/Ti 반응 시스템에서 Cu가 모두 소진되면 스폴링이 발생 할 수 있다. Cu가 모두 소진되면 금속간 화합물(Intermetallic compound, IMC)과 Ti 층이 직접 맞닿게 되는데 둘 사이의 접착력이 나빠 솔더 접합부의 강도 및 신뢰성에 영향을 주게 된다. 본 연구에서는 젖음층의 소모에 따라서 솔더 접합부의 계면 강도가 감소하는 것을 전단 강도 측정을 통해 비교하였다. 실험을 위해 유리 기판 위에 Ti/Cu 하부 금속층을 형성하여 칩을 제작하고 기판(flame retardant (FR)-based substrate)의 Cu 패드 위에 Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305) 솔더 형성하였다. 하부 금속층의 Cu 층은 스퍼터링에 의해 임계두께를 갖도록 제작했는데 이는 칩과 기판이 리플로우 후에는 분리되지 않다가 후속 열처리를 진행함에 따라 솔더의 스폴링 현상에 의해 분리되도록 하기 위함이다. 기판과 칩을 정렬하여 위치시킨 후 리플로우 및 후속 열처리를 진행하였다. 리플로우와 후속 열처리 이후 솔더 접합부의 하부금속층 Cu 잔여 두께를 주사 전자 현미경을 이용해 측정했으며 전단 강도 측정 및 파단면 관찰을 진행했다. 그 결과 Cu 층이 모두 소진되었을 때 스폴링이 발생했고 칩과 기판 사이의 전단 강도 값은 감소했다. 결과적으로 젖음층의 소진에 따라 스폴링이 발생하여 접합부의 계면 강도가 감소하며 이로 인해 접합부의 신뢰성 저하가 유발 될 것임을 알 수 있었다.