Impact and electromigration reliabilities of Pb-free joints formed on eco-friendly Cu-Zn wetting layer

Abstract

전자패키지의 솔더 접합부는 신호전달과 열 방출 및 구조보전 역할을 하므로 솔더 접합부 신뢰성은 패키지 전체의 신뢰성을 좌우할 만큼 중요하다. 솔더 접합부를 구성하는 재료로서 Sn-Ag-Cu (SAC)계 무연솔더와 Cu가 일반적으로 사용된다. 하지만 SAC솔더와 Cu의 접합부 계면에서 빠른 금속간화합물 성장, 미세공공 및 큰 판상형 Ag3Sn이 형성되어 솔더 접합부의 신뢰성이 크게 하락하게 된다. 스마트폰과 태블릿 PC 등의 모바일 제품들은 사용자 환경에 따라 낙하충격 환경에 쉽게 노출되기 때문에, 솔더 접합부의 기계적 신뢰성 확보가 중요한 화두로 자리 잡고 있다. 칩의 미세화와 함께 전자패키지의 피치 크기도 계속해서 작아지고 있기 때문에, 앞으로 솔더 접합부의 신뢰성 확보는 더욱 중요해질 것이다. SAC솔더에 첨가되는 미량의 원소 중, Zn가 접합부 미세구조 개선과 신뢰성 향상에 효과적이었지만, Zn를 포함한 솔더는 표면에 형성되는 산화막 때문에 실제 솔더링 공정에 적용되기에는 한계가 있다. 따라서, Cu에 Zn를 넣은 Cu-Zn 합금 솔더 젖음층을 전해도금 방식으로 형성하여 솔더 접합부의 미세구조 개선 및 신뢰성 향상에 대한 연구가 진행되었다. Zn가 첨가됨에 따라 솔더 접합부 계면에서 금속간화합물의 성장이 억제되었고 미세공공과 큰 판상형 Ag3Sn이 형성되지 않아 Cu-Zn 솔더 접합부의 낙하충격 신뢰성이 크게 증가하였다. 하지만 친환경 용액에서 형성된 Cu-Zn 솔더 접합부에 대한 낙하충격 신뢰성 연구가 충분히 진행되지 않았으며, 칩 레벨 솔더 범프에 사용되는 폴리머 재료들이 취약한 알칼리 용액에서 제조되었다. 또한 칩 레벨 솔더 접합부에서 미세 피치화로 인해 중요해진 신뢰성 이슈 중 하나인 일렉트로마이그레이션에 대한 Cu-Zn 솔더 접합부에서의 연구결과는 아직 알려진 바가 없다. 본 학위논문에서는 SAC솔더와 Cu-Zn 접합부의 충격 및 일렉트로마이그레이션에 대한 신뢰성을 연구하였다. Cu-Zn 합금을 전자패키지 공정에 적용하기 위해 친환경 도금용액에서 전해도금 방식으로 형성시켰으며, 이전 연구와 다르게 칩 레벨의 솔더 접합부에도 적용할 수 있게 중성의 Cu-Zn 도금용액을 개발하였다. 신뢰성 시험 후 Cu-Zn 솔더 접합부의 미세구조 개선에 따른 신뢰성 결과들을 도출하였고 파괴모드 분석을 통해 신뢰성 향상에 대해 고찰하였다. 1장에서는 무연솔더, 하부금속층, 표면처리, 솔더 접합부 미세구조와 신뢰성 이슈들을 소개하였다. 다음, SAC솔더와 Cu-Zn 접합부에 대한 이전 연구들을 정리하였으며 연구목표를 소개하였다. 2장에서는 Cu-Zn 솔더 접합부의 낙하충격 신뢰성을 시험하고 파괴모드를 통해 신뢰성 향상에 대한 이유를 고찰하였다. 열처리 전후로 Cu-Zn 솔더 접합부의 신뢰성은 Cu 솔더 접합부보다 우수하게 나타났다. Cu와 Cu-Zn 솔더 접합부 모두 낙하충격 시 균열은 주로 솔더와 금속간화합물 계면에서 발생하였고, 주 파괴위치로 Cu 솔더 접합부에서는 금속간화합물 계면에서 파괴가 Cu-Zn 솔더 접합부에선 금속간화합물 내부에서 파괴가 발생하였다. 솔더 접합부의 취성 파괴에서, 계면을 통한 응력완화가 내부를 통하는 것보다 힘들기 때문에 Cu-Zn 솔더 접합부의 낙하 충격 신뢰성이 우수하게 관찰되었다. 3장에서는 Cu-Zn 솔더 접합부에서 형성되는 금속간화합물의 결정구조를 분석하고 중성용액에서 형성된 Cu-Zn 젖음층과 SAC 솔더와의 계면반응 및 전단강도를 조사하였다. Cu-xZn의 조성이 증가함에 따라서 α-CuZn에서 β-CuZn로 결정구조가 바뀌었으며, Cu-Zn계 금속간화합물은 규칙상인 β'-CuZn의 결정구조로 판단된다. 중성용액에서 형성된 Cu-Zn 솔더 접합부에는 Cu6(Sn, Zn)5이 주로 성장하였으며 열처리 시간이 길어지면서 Cu6(Sn, Zn)5와 Cu-Zn계면에 얇은 Cu-Zn계 금속간화합물이 형성되었다. 따라서 중성용액에서 형성된 Cu-Zn 솔더 접합부의 미세구조와 전단강도는 알칼리용액과 차이를 보이지 않았다. 또한 중성용액에서 형성된 Cu-Zn 솔더 접합부는 Cu와 Ni 솔더 접합부보다 우수한 충격 신뢰성을 나타내었다. 4장에서는 중성용액에서 형성된 Cu-Zn 솔더 접합부의 일렉트로마이그레이션 실험을 1.1 x 104 A/cm2의 전류밀도에서 진행하였다. 150시간 전류인가 후 Cu-Zn 솔더 접합부에서 일렉트로마이그레이션에 의한 보이드가 음극에서 형성되었으며, Cu 솔더 접합부에 비해 보이드 형성이 억제되었다. 또한 양극에서 일렉트로마이그레이션에 의한 금속간화합물의 성장이 Cu-Zn 시편에서 더 적게 나타났다. Cu와 Cu-Zn시편에서 모두 Sn의 이방성 특성에 따라 2가지의 파괴모드가 관찰되었다. 모드 1은 Cu 소멸에 의한 파괴이며 모드 2는 보이드 전파에 의한 파괴로 나타나는데, 모드 1이 모드 2보다 이른 시간에서 파괴가 발생한다. Cu솔더 접합부와 비교하여 Cu-Zn 솔더 접합부에서는 모드 1의 비중이 줄어들고, 모드 1과 모드 2 모두에서 파괴 시간이 길었기 때문에 Cu-Zn 솔더 접합부의 신뢰성이 크게 향상되었다. 중성용액에서 형성된 친환경 Cu-Zn 젖음층의 보드 레벨과 칩 레벨 솔더 접합부에 대한 적용성을 확인하였으며, 신뢰성 평가 및 분석을 통해 Cu-Zn 젖음층이 고 신뢰성의 솔더 접합부가 요구되는 패키지에 적합하다고 판단된다.; The reliability of solder joint in an electronic package is important enough to influence the whole package reliability since the solder joint acts as the role of heat and electrical paths as well as structural integrity. As the materials consisting the solder joint, Sn-Ag-Cu (SAC) alloy for Pb-free solder and Cu are widely used in microelectronic packaging industry. However, when the SAC solder reacts with the Cu, the rapid growth of intermetallic compound (IMC) and formations of microvoid and large Ag3Sn plate degrade the solder joint reliability. The mobile products such as the smart phone and tablet PC are easily exposed to the drop impact in daily life. Therefore, the impact reliability of solder joint has been served as a serious issue. In addition, since the pitch size of electronic packages is continuously reduced, sustaining the reliability of solder joint has become more a critical factor in the electronic package. Among minor alloying elements adding to SAC solder, Zn was the best to modify the microstructure and to improve the solder joint reliability. However, due to the Zn oxide on the surface of solder, the Zn-doped solder was limited to apply the soldering process in the electronics industry. Therefore, using an electroplating method, Cu-Zn alloy for Pb-free solder wetting layer was introduced to replace the Cu wetting layer. The delayed growth of IMC and no formation of large Ag3Sn plate and microvoid were observed at the SAC/Cu-Zn interface, resulting in improved drop impact reliability. However, the drop impact reliability for eco-friendly Cu-Zn wetting layer was not accessed after aging and Cu-Zn alloy was electroplated in an alkaline solution that can damage the polymer materials used in chip level interconnection. Furthermore, for SAC/Cu-Zn joint, electromigration behavior as an emerging issue with decreasing the pitch size has been not studied yet. In this dissertation, the impact and electromigration reliabilities of SAC/Cu-Zn joints were investigated. Cu-Zn wetting layer was electroplated in a non-cyanide solution with a neutral pH. A newly developed near-neutral solution has compatibility with the polyimide and photoresist used in chip level interconnection. After reliability tests, the interfacial microstructure of SAC/Cu-Zn joint was characterized and improved reliabilities were discussed through the failure modes of solder joint. In chapter 1, the research background on the Pb-free solder joint, under bump metallurgy and surface finish, microstructure of solder joint, reliability issues in solder joint is described. Next, the previous studies of SAC/Cu-Zn solder joint are reviewed the research objectives are described. In chapter 2, drop impact reliability was evaluated and failure mechanism was analyzed in SAC/Cu-Zn joint. Before and after aging, the drop impact reliability of Cu-Zn specimens was superior to that of Cu specimens. The crack mainly initiated at the solder/IMC interfaces in both Cu and Cu-Zn specimens so that the difference of the drop reliability was attributed to the crack propagation and major failure sites. The failures for Cu and Cu-Zn specimens occurred in IMC interface and IMC interior, respectively. Since the stress relaxation through dislocation transmission at the IMC interface was more difficult, the drop impact reliability of SAC/Cu-Zn joint was greater than that of SAC/Cu joint. In chapter 3, the crystal structure of phases at the SAC/Cu-Zn interface was analyzed, and the interfacial reaction and impact reliability between SAC and Cu-Zn electroplated in the neutral solution were investigated. As the Zn concentration increased in the Cu-xZn, the crystal structure was changed from α-CuZn to β-CuZn. The crystal structure of Cu-Zn IMCs was determined to β'-CuZn. At the SAC/Cu-Zn interface, Cu6(Sn, Zn)5 was a dominant IMC and Cu-Zn IMCs were observed beneath the Cu6(Sn, Zn)5 with an increasing aging time. The interfacial microstructure and shear strength of solder joints were similar between the neutral and alkaline solutions. In addition, impact reliability for Cu-Zn wetting layer was superior to that for Cu and Ni wetting layers. In chapter 4, the electromigration reliability of SAC/Cu-Zn joint was investigated under current density of 1.1 × 104 A/cm2. After current stressing for 150 h, at the cathode side, the void induced by electromigration was more suppressed in SAC/Cu-Zn joint than in SAC/Cu joint. At the anode side, the IMC thickness of Cu-Zn specimen was thinner than of Cu specimen. Due to the anisotropic properties of Sn, the two failure modes were observed in both Cu and Cu-Zn specimens. Failure mode 1 was Cu dissolution and failure mode 2 was void propagation at the cathode sides. The lifetime of mode 1 was shorter than that of mode 2. Since the failure mode 1 was suppressed and lifetimes for both mode 1 and 2 were longer in SAC/Cu-Zn joints, the electromigration reliability of SAC/Cu-Zn joint was greatly improved after current stressing. In conclusions, the feasibility of applying the eco-friendly Cu-Zn wetting layer to the board level and chip level interconnections is confirmed using the neutral solution, and the Cu-Zn alloy is a candidate as a promising solder wetting layer for highly reliable solder joint in the advanced electronic packages.