무연솔더와 Cu-Zn 합금 계면에서의 금속간화합물 형성과 솔더 접합부의 신뢰성 연구 = Intermetallic compound formation and solder joint reliability at the interface between Pb-free solder and Cu-Zn alloy layer

국문 초록 (Abstract)

전자제품의 경박단소화 및 고집적화에 대한 기술개발 요구는 지속적으로 대두되고 있으며 한편으로는 환경보호에 대한 관심과 규제가 고조되고 있다. 따라서 기존의 유해한 제품의 제조 및 사용규제로 인한 친환경 제품이 실용화되기 위해 세계적으로 많은 연구와 노력이 필요하다. 기존에 널리 사용되던 Sn-Pb 솔더는 Pb의 독성으로 인해 사용이 규제되어, Pb를 포함하지 않는 환경친화적인 무연솔더의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 개발된 많은 무연솔더 중에 Sn-Ag-Cu (SAC) 솔더는 대표적으로 가장 주목 받는 솔더이지만, Cu 하부금속층과 사용되었을 때 크고 많은 판상의 Ag3Sn, 두꺼운 Cu-Sn (Cu6Sn5+Cu3Sn)의 금속간화합물 성장과 이에 따른 Kirkendall void 형성은 접합부의 신뢰성에 매우 나쁜 영향을 미친다. 최근에는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 SAC 솔더에 또 다른 원소를 소량 첨가하여 신뢰성이 높아졌다는 연구가 보고된다. 특히 Zn를 첨가했을 때 금속간화합물 성장 및 Kirkendall void형성이 더디고 신뢰성테스트에서 좋은 결과를 얻었다. 그러나 4상의 합금을 조절하기가 어렵고 Zn가 포함된 솔더는 산화와 부식에 대한 저항성이 매우 약하여 기판에서의 젖음성이 좋지 않는 단점이 있다.
본 연구에서는 Zn를 솔더가 아닌 접착층에 첨가하여 사용함으로써 앞의 문제점 없이 SAC솔더를 그대로 사용할 수 있다. 첫째로, 녹아있는 SAC 솔더에 600 ㎛의 지름을 갖는 Cu wire와 Cu-10%Zn wire를 담그는 방법으로 260℃에서 10, 30, 60, 120초 동안 솔더링을 실시하였다. 이 시편을 적당히 자른 후, 150℃와 180℃에서 50, 100, 250, 500, 1000, 2000시간 동안 시효처리 하였다. 둘째로, 솔더 볼과 PCB기판을 이용하여 SAC 솔더와 Cu-Zn의 계면반응에 따른 금속간화합물 형성과 솔더 접합부의 신뢰성 테스트를 실시함으로써 Zn에 의한 영향을 살펴보았다. 6 ㎛의 Cu와 Cu-20%Zn 합금이 전기도금된 패드 위에 Sn-4.0Ag-0.5Cu 솔더 볼을 사용하여 260℃에서 30 초간 리플로 하였다. 리플로 후 150℃에서 50, 100, 250, 500, 750, 1000 시간까지 시효처리 하였으며, 각 시효시간에 따라 500 ㎛/s의 속도로 shear test를 실시하였다. 또한 daisy chain구조를 갖는 상부와 하부의 PCB기판을 제작하여 drop test를 실행하였다. 앞의 shear test 시편 제작과 마찬가지로 Cu와 Cu-Zn 합금을 도금하였으며, 리플로 후에 150℃에서 500시간과 1000시간 시효처리 하였다. Drop test는 JEDEC 표준을 바탕으로 하여 1500G와 0.5 ms의 조건하에 실시하였다. 접합계면의 금속간화합물을 비롯한 미세구조 관찰을 위해 솔더링, 시효처리, 테스트 후의 시편들을 광학현미경, 주사전자현미경, 에너지분산스펙트럼으로 분석하였다.
타 연구자와 마찬가지로 wire 실험에서 솔더링 후에 가리비 모양의 Cu6Sn5 금속간화합물이 솔더와 기판 사이 계면에 형성되었다. Cu6Sn5의 두께는 Cu wire가 Cu-Zn wire보다 조금 더 두꺼웠다. PCB기판과 솔더 볼을 이용한 실험에서는 wire 실험과 마찬가지로 리플로 후에 Cu6Sn5가 형성되고, 이 밖에 wire 실험에서 볼 수 없었던 Ag3Sn이 발견되었는데 Cu-Zn패드보다 Cu패드 위에서 더 크고 많은 Ag3Sn이 생성된 것을 관찰할 수 있었다. 시효처리를 한 후에 모든 계면에 형성되었던 거친 가리비 모양의 금속간화합물은 매끄럽고 평평한 모양으로 변했다. 형성된 금속간화합물은 솔더와 Cu계면에서 잘 알려진 Cu6Sn5와 Cu3Sn, Cu3Sn 내에서의 Kirkendall void가 발견되었으나, 솔더와 Cu-Zn 계면에서는 오직 Cu6Sn5만이 발견되었다.
시효시간이 증가함에 따라 솔더와 Cu와 Cu-Zn사이 계면에서 금속간화합물 층의 두께는 모두 증가하였으나, Cu시편의 금속간화합물 성장속도가 Cu-Zn 시편보다 더 빠르고 시효시간에 따른 금속간화합물 두께가 포물선 형태로 나타나 두 시편에서 모두 금속간화합물의 성장은 체확산에 의해 이루어진다는 것을 확인할 수 있었다.
시효시간에 따라 실시한 shear test 결과로는 시효시간이 증가할수록 Cu와 Cu-Zn 패드 모두 전단강도의 값은 감소하였고, 모든 시편에서 테스트 후 패드 위에 전체적으로 솔더가 남아있는 솔더 내의 연성파괴가 발생하였다. 또한 같은 시효시간에서 Cu 패드의 전단강도가 Cu-Zn 패드의 전단강도보다 낮게 나타났다. Shear test 시편과는 다르게 새로 제작한 daisy chain 구조의 PCB기판을 이용하여 리플로 후, 시효처리 500시간과 1000시간 후에 drop test를 실시하였다. 시효처리 시간이 증가할수록 파괴가 일어나는 임계낙하횟수는 줄었지만, 각각의 조건에서 Cu-Zn 시편의 임계낙하횟수가 Cu 시편의 임계낙하횟수보다 높게 나타났다. 따라서 Cu-Zn 층을 사용함으로써 Cu 층보다 신뢰성 개선에 효과가 있음을 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Due to the inherent toxicity of lead, environmental concerns over the use of leadbearing solders in consumer electronics have provided a driving force for the development of lead-free solders. Sn-Ag-Cu (SAC) alloys have been developed as the leading lead-free solder to replace Pb-Sn solders. Extensive research and development activities are currently focused on the SAC system with Cu under bump metallurgy (UBM) to understand the fundamental issues and to evaluate the reliability risk factors associated with solder joints formed from alloy family. However, the intermetallic compound (IMC) growth rate is high due to the fast reaction of SAC solder with Cu substrate. Also, the formation of large Ag3Sn plates on solder joint and the Kirkendall voids at the solder interface may be concerned for the solder joint reliability, since they are harmful to joint strength and impact resistance. Therefore, several studies in lead-free solder development are focused on adding minor alloy elements such as Mn, Ni, Ge, Ti, Si, Cr, Zn, Co, and rare earth to enhance the properties of SAC solders. Especially, it was reported that Sn-based solders containing Zn could suppress excessive growth of IMC and formation of Kirkendall voids and improved the solder joint reliability. But, these solders have some issues such as poor wettability and easy oxidation or corrosion.
We recently developed Cu-Zn alloy wetting layer for the SAC solder balls to improve the reliability without previous problems. First, IMC formation in the Sn- 3.0Ag-0.5Cu solder were investigated for Cu-Zn alloy substrate in comparison to Cu substrate during reflow soldering and thermal aging. The two types of substrate were used; Cu and Cu-Zn wire, Cu and Cu-Zn electroplated layer on BT substrate. The chemical composition of Cu-Zn alloy was 90 wt% Cu and 10 wt% Zn. The soldering was conducted at 260℃ for 10, 30, 60, and 120 s by dipping the substrate into the molten solder. The these specimens were aged at 150℃ and 180℃ for 50, 100, 250, 500, 1000, and 2000 h. Secondly, IMC formation and solder joint reliability have been investigated in the solder joint between SAC solder balls and Cu-Zn alloy pads, and Cu pads were also used as a reference. Sn-4.0Ag-0.5Cu solder balls were used. Also, the BT substrates for shear test and FR-4 substrates for drop test were Cu and 80 wt%Cu-20 wt%Zn pads defined with solder masks. The SAC solder balls were reflowed in a convection oven with a peak temperature of 260℃ and the solder joints were aged at 150℃ for 50, 250, 500, 750, and 1000 h. The solder ball shear tests were performed with the speed of 500 ㎛/s and shear height of 50 ㎛ after reflow and aging by using a DAGE4000S tester. And drop test was conducted on the assembly after reflow and aging according to the JESD22-B111 standard. The drop height was set to satisfy the requirement of 1500 G peak acceleration and 0.5 ms pulse duration. A threshold resistance of 100 Ohms was used as the failure criterion and drop test was stopped when failure did not occur up to 300 times. The microstructure of the solder joints and the fracture mode after shear test were analyzed by using optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM) combined with energy dispersive spectrometry (EDS).
Though the scallop-shaped Cu6Sn5 was formed instantaneously at the SAC/Cu and SAC/Cu-Zn interface after soldering by dipping method and solder ball reflow, the IMC thickness of Cu specimens was slightly thicker than that of Cu-Zn specimens. Large and a lot of Ag3Sn were formed in the solder balls on electroplated Cu pad after reflow. Some Ag3Sn plates on electroplated Cu-Zn pad were formed, but the size and amount of this IMC on Cu-Zn pad was very smaller than those on Cu pad. After isothermal aging, initial scallop-shaped IMC changed to be more planar type IMC layer. Also, the well-known double layer structure of Cu-Sn IMCs (Cu6Sn5 and Cu3Sn) and Kirkendall voids were formed at the SAC/Cu interfaces, while only one layer of Cu6Sn5 grew at SAC/Cu-Zn interfaces during aging. In particular, when the aging of Cu-Zn wire specimens at 150℃ and 180℃ for 2000 h was finished, thin Cu3Sn was formed locally between Cu6Sn5 and Cu-Zn substrate.
Total IMC thickness increased with increasing aging time on both SAC/Cu and SAC/Cu-Zn interfaces. However, IMC growth rate on Cu-Zn substrate was much slower than that on Cu substrate. The parabolic relationship between IMC thickness and aging time shows that the growth of IMC is controlled by the volume diffusion on both Cu and Cu-Zn substrate.
After the shear test of solder joints before and after aging treatment, since the failure occurs in the solder in all specimens, the shear strength of the solder bumps depends on the strength of solder ball. The SAC solder was softened during aging, and the strength of solder decreased and then the shear strength also decreased with increasing aging time. Also, The shear strength of SAC solder on Cu substrates was lower than that of SAC solder on Cu-Zn substrates during aging. The reason for this is that the dissolved Zn from Cu-Zn layer to the SAC solder tended to increase the strength of solder, and it can be believed that this phenomenon is a kind of solid solution strengthening. As a result of drop test, the average number of drops to failure on Cu-Zn specimens was higher than that on Cu specimens both after reflow and after aging. So, the drop resistance of SAC/Cu-Zn specimens tends to be better than that of SAC/Cu specimens.

목차 (Table of Contents)

• 국문요지 = 4
• List of Tables and Figure Captions = 7
• Ⅰ. 서론 = 10
• Ⅰ-1. 연구배경 = 10
• Ⅰ-1-1. 솔더링(soldering) = 10
• Ⅰ-1-2. 하부금속층(under bump metallurgy, UBM) = 11
• Ⅰ-1-3. 무연솔더(lead-free solder) = 12
• Ⅰ-1-4. 금속간화합물 분석의 중요성 = 13
• Ⅰ-2. 연구목표 = 15
• Ⅱ. 실험방법 = 17
• Ⅱ-1. Dipping 방법을 이용한 계면의 금속간화합물 성장 분석 = 17
• Ⅱ-1-1. 시편의 준비 = 17
• Ⅱ-1-2. 솔더와 기판의 계면 반응 = 17
• Ⅱ-1-3. 시효처리 = 18
• Ⅱ-2. 솔더 볼 리플로를 이용한 솔더 접합부의 신뢰성 평가 = 20
• Ⅱ-2-1. Solder ball shear test 를 이용한 신뢰성 평가 = 20
• Ⅱ-2-1-1. 시편의 준비 = 20
• Ⅱ-2-1-2. 전해도금을 이용한 젖음층 형성 = 20
• Ⅱ-2-1-3. 솔더 볼과 기판의 계면 반응 = 20
• Ⅱ-2-1-4. 시효처리 = 21
• Ⅱ-2-1-5. Shear test = 21
• Ⅱ-2-2. Drop test 를 이용한 신뢰성 평가 = 25
• Ⅱ-2-2-1. 시편의 준비 = 25
• Ⅱ-2-2-2. 전해도금을 이용한 젖음층 형성 = 25
• Ⅱ-2-2-3. 솔더 볼과 기판의 계면 반응 = 25
• Ⅱ-2-2-4. 시효처리 = 26
• Ⅱ-2-1-5. Drop test = 26
• Ⅱ-3. 시편의 단면 및 표면 분석 = 30
• Ⅲ. 결과 = 31
• Ⅲ-1. Dipping 방법을 이용한 계면의 금속간화합물 성장 분석 = 31
• Ⅲ-1-1. Sn-Ag-Cu 솔더와 wire 의 반응 = 31
• Ⅲ-1-1-1. 리플로 시간에 따른 dissolution rate 분석 = 31
• Ⅲ-1-1-2. 리플로 후 계면의 미세구조 분석 = 32
• Ⅲ-1-1-3. 시효 시간에 따른 계면의 금속간화합물 성장 = 32
• Ⅲ-1-2. Sn-Ag-Cu 솔더와 BT 기판의 반응 = 46
• Ⅲ-1-2-1. 리플로 후 계면의 미세구조 분석 = 46
• Ⅲ-1-2-2. 시효시간에 따른 계면의 금속간화합물 성장 = 47
• Ⅲ-2. 솔더 볼 리플로를 이용한 솔더 접합부의 신뢰성 평가 = 51
• Ⅲ-2-1. Solder ball shear test 를 이용한 신뢰성 평가 = 51
• Ⅲ-2-1-1. 리플로 후 계면의 미세구조 분석 = 51
• Ⅲ-2-1-2. 시효시간에 따른 계면의 금속간화합물 성장 = 52
• Ⅲ-2-1-3. Shear test 결과 = 53
• Ⅲ-2-2. Drop test 를 이용한 신뢰성 평가 = 64
• Ⅲ-2-2-1. Drop test 결과 = 64
• Ⅳ. 고찰 = 66
• Ⅳ-1. Dipping 방법을 이용한 계면의 금속간화합물 성장 분석 = 66
• Ⅳ-1-1. 시효시간에 따른 금속간화합물의 성장 거동 = 66
• Ⅳ-1-2. 금속간화합물의 형상변화 및 Kirkendall void 형성 = 68
• Ⅳ-2. 솔더 볼 리플로를 이용한 솔더 접합부의 신뢰성 평가 = 70
• Ⅳ-2-1. Shear test = 70
• Ⅳ-2-2. Drop test = 71
• Ⅴ. 결론 = 75
• 참고문헌 = 78
• Abstract = 82