솔더링부의 특성 평가 및 신뢰성 평가Ⅰ

특성 & 신뢰성 평가의 이론적 배경

솔더링은 융점 450℃ 미만의 용융된 솔더를 피접합재의 틈새에 침투, 퍼지게 하여 접합하는 방법이다. 솔더링 중 모재는 녹지 않고 솔더만 녹아 접합되는 것이 일반적인 용융 용접과 다른 점이다. 용융된 솔더는 모재 표면에서 젖음(wetting)이라는 과정을 통하여 모재표면에 막을 생성한다. 금속면은 얼른 보면 매끄러운 것처럼 보이지만, 현미경으로 확대해 보면 무수한 요철이나 결정계면, 흠집 등이 존재한다.

글 : 전주선, (주)단양솔텍 CEO / zeuscheon@dyst21.co.kr

서 론

납(Pb)은 3000년 이상 솔더 합금의 중요한 구성 성분으로 존재해 왔다1). 그러나 최근에 납이 환경과 인간에 미치는 유해성이 대두되면서, 반도체 산업에서 납(Pb)의 사용을 금지하고자 하는 각종 규제들이 일본과 유럽 국가들에 의해서 제안되고 있다. 이러한 납에 대한 규제와 더불어 전자제품의 경박 단소화가 진행되고 있다2).
작고 고성능을 가진 이러한 제품 생산을 가능하게 하는 중요 기술 중의 하나가 전자 패키징 기술이다. 또한 반도체의 응용분야가 급속도로 확대되면서 다양한 요구의 대응에 필요한 반도체 패키지 기술 개발의 필요성이 급증하고 있다3). 최근의 이러한 요구 경향에 따라 반도체 패키지 부문에서 BGA(ball grid array), CSP(chip scale package), 플립칩(Flip Chip) 패키지의 수요가 크게 증가하고 있다.

일반 전자부품의 패키지 크기를 줄이고 전기적인 특성을 최대한 살리기 위해 개발된 차세대 반도체 패키징 기술이 1960년대에 IBM에서 소개한 플립칩 패키지4)이다. 이 때 사용된 범프 형성 방법은 증착이었다. 그러나 이 방법은 가격이 너무 비싸고, 큰 사이즈 웨이퍼 위에 범핑을 하기가 어렵다.

오늘날 웨이퍼 레벨 패키징에서는 주로 솔더 페이스트 스텐실 프린팅(Solder paste stencil printing)이나 전해도금(Electroplating)법이 사용된다. 스텐실 프린팅 법은 큰 피치(≥150㎛)에 적합하고, 가격이 저렴한 장점이 있다. 또한 새로운 솔더 재료를 적용하기 쉽다는 것이 큰 장점이다.

한편, 현재 전자 패키징에서 가장 많이 쓰이고 있는 Sn-Pb계 솔더 중에 함유된 납은 인체에 유해하다는 점이 잘 알려져 있다. 이에 대한 대응 방안으로 연구가 활발히 진행되고 있는 것이 솔더의 무연화이다. 최근 Sn/Ag/Cu솔더가 적용 가능성이 있는 무연 솔더로서 각광을 받고 있다. 그러나 이 조성의 무연 솔더는 이미 미국이나 일본에서 특허를 가지고 있으며, 기존 솔더에 비해 가격이 약 2.5배 가량 비싸다는 단점을 가지고 있다. 따라서 가격이 저렴하면서 성능이 대등한 새로운 국산 무연 크림 솔더의 개발이 절실히 요구된다.

본 고에서는 국산 합금을 이용하여 개발된 입도 30~40㎛급 Sn-1.7wt%Bi-0.8wt%Cu-0.6wt%In 무연 크림 솔더(이하 Sn1.7Bi0.8Cu0.6In)와 입도 15~25㎛급 Sn1.7Bi0.7Cu0.6In 무연 크림 솔더의 플립칩 적용 가능성을 검토해 보고자 하였다. Sn1.7Bi0.8Cu0.6In의 플립칩 적용 가능성을 검토하기 위하여 UBM이 증착된 실리콘(Si) 웨이퍼 솔더 페이스트 스텐실 프린팅법을 사용하여 범프를 형성하고, Sn-37wt%Pb, Sn-36wt%Pb-2wt%Ag, Sn-3.5wt%Ag, Sn-3.0wt%-0.5wt%Cu 크림솔더(이하 Sn37Pb, Sn36Pb2Ag, Sn3.5Ag, Sn3.0Ag0.5Cu)와의 기계적 특성을 비교하였다. 또한 주사 전자 현미경(SEM)과 EDS 분석을 통하여 계면 및 전단파면을 관찰하고 반응기구를 규명하였으며 열충격 시험을 하였다.

솔더링

솔더링의 원리
솔더링은 융점 450℃ 미만의 용융된 솔더를 피접합재의 틈새에 침투, 퍼지게 하여 접합하는 방법이다. 솔더링 중 모재는 녹지 않고 솔더만 녹아 접합되는 것이 일반적인 용융 용접과 다른 점이다. 용융된 솔더는 모재 표면에서 젖음(wetting)이라는 과정을 통하여 모재표면에 막을 생성한다.

금속면은 얼른 보면 매끄러운 것처럼 보이지만, 현미경으로 확대해 보면 무수한 요철이나 결정계면, 흠집 등이 존재한다. 용융 솔더는 모세관 현상에 의해 금속면을 따라서 흘러 들어가고 계면에서는 금속결합이 일어나게 된다. 일반적인 솔더링에서는 합금층 또는 금속간의 화합물이 생성된다. 이 합금층은 금속간의 접합품질에 영향을 미치며5), 이러한 금속화학적 결합이 발생하므로 접착제를 이용한 접합과는 다르다.

솔더링 중에 용융된 솔더는 기판과 모재(전자부품, 기판 등 피접합물) 사이의 틈새에 침투하여, 솔더와 모재 사이에 금속간 화합물이 형성되면서 접합이 이루어진다. 이러한 솔더링 과정을 간단한 인두 솔더링 모델(그림 1 참조)을 이용하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

① 모재 금속 표면에 산화막이 덮여 있다가
② 플럭스를 도포하여 가열하면 산화막이 제거되며,
③ 모재 금속에 솔더가 퍼지면서(wetting) 모재와 솔더 사이에 원자간 이동이 발생하여,
④ 이동한 원자간의 결합으로 금속간 화합물의 생성과 응고가 진행되면서 솔더링이 완료된다.

무연솔더

Sn-Pb계 솔더는 오랜 기간 동안 솔더링에 있어서 가장 유효한 접합재료로 사용되어 왔다. 그러나 유연 솔더를 사용한 전자기기의 폐기 시의 환경오염 문제와 인체에 흡수되어 해를 끼지는 원인으로 작용하고 있다. 이러한 이유로 인하여 세계적으로 전자산업에 있어서 납의 사용을 제한하려는 경향이 증가하게 되었고, 점진적으로 Pb의 사용을 전면 금지하는 계획이 추진되고 있으며, 전자 패키지에서 납을 함유한 솔더를 대체하기 위한 노력으로 무연솔더의 개발과 이에 관한 평가가 최근 관심의 대상이 되고 있다.

무연솔더 중 일부 실용화가 시작된 것으로 Sn-Ag계를 기본으로 한 것이 있으며, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Sn-Ag계 중 Sn3.5Ag 솔더합금은 Sn37Pb 공정솔더에 비해 인성, 크리프(creep) 및 기계적 성질이 우수한 것으로 알려져 있다. 또한 Cu와의 젖음성도 양호한 편이며 비교적 높은 융점(221℃)을 가지므로 고온용 솔더로 주목받고 있다.
표 1은 많은 연구를 통해 선정된 실용화를 위한 무연솔더의 후보합금을 나타낸 것이며, 이 중 일부는 실용화되었다.

플립칩 패키지

플립칩 패키지란 기존의 반도체 칩과 기판을 연결하기 위해 금선을 사용하는 와이어본딩 방식과 달리 반도체 칩을 기판에 직접 부착하는 기술로 특히 초고속 동작을 필요로 하는 반도체 제품에 주로 사용되는 최첨단 반도체 패키지 기술이다.

UBM(under bump metallization)
그림 2는 플립칩 패키지에서의 UBM과 솔더범프(solder bump)의 구조를 보인 것이다. UBM은 IC(Integrated circuit)의 Si 웨이퍼 위에 솔더 범핑(solder bumping)을 하기 위해 적층한 금속층이다. ‘접착층(adhesion layer)’은 패드 금속부와 패시베이션(passivation)을 잘 접합시킴으로써 기계적, 전기적인 응력을 줄이는 역할을 수행하며 사용되는 금속으로는 Cr, Ti, TiW 등이 있다.
‘확산 방지층(diffusion barrier layer)’은 솔더와의 반응을 지연시킴으로써 브리틀한 금속간화합물의 지나친 생성을 막아준다. 사용되는 금속으로는 Ni, Cr/Cu, Ti/W-Cu 등이 있다.

‘젖음층(solder wettable layer)’은 Cu 혹은 Au를 사용하며 솔더링 도중에 용융된 솔더가 IC 표면에 쉽게 젖을 수 있도록 하여 금속간 화합물의 형성을 유도하여 우수한 접합강도를 가질 수 있도록 한다. ‘산화방지층(oxide prevention)’은 주로 thin-Au가 사용되며 하부의 금속층들의 산화를 방지하는 역할을 한다. UBM을 형성하는 각 층의 금속과 그 적층순서는 일정하게 정해져 있는 것이 아니라 솔더의 조성이나 응용범위에 따라 각기 달라질 수 있다.

솔더 범프
솔더 범프는 여러 가지 방법으로 UBM 위에 형성되며 증착, 도금, 인쇄, 분사, 스터드(stud), 직접 접합 등이 있다. 이러한 범프 형성법의 선택은 범프 크기와 피치에 의하여 결정되고 조성, 원가, 제조시간, 사용장비, 작업 온도, UBM의 형태에 영향을 받는다.

금속간화합물

금속간화합물은 솔더와 기판(UBM) 사이의 상호작용에 의해서 형성된다. 특히 Sn과 다른 금속들에 의하여 고온에서 빠르게 금속간화합물층을 형성한다.6) 금속간화합물은 솔더접합의 강도 측면에서 필수적인 요소이다. 솔더는 Cu6Sn5 및 Ag3Sn 등의 금속간화합물 입자로 인하여 석출강화되기 때문에 더욱 강하고 단단해 질 수 있다. 또한 금속간화합물을 매개로 솔더와 기판의 접합이 이루어진다. 그러나 금속간화합물층은 매우 취약(brittle)하기 때문에 과도한 성장은 피로강도를 비롯한 솔더 접합부의 기계적인 성질에 좋지 않은 영향을 끼치고7)리드(Lead)나 패드(Pad)등 부품의 표면에 형성되면 젖음성은 떨어진다.

솔더링 시간이 길어짐에 따라서 금속간 화합물 층의 두께는 증가하는데 대부분의 경우 그 두께는 대략적으로 식(1-1), (1-2)과 같은 포물선의 식으로 나타난다. 금속간화합물의 두께는 성장한 시간의 거듭제곱근에 비례하여 선형적으로 증가한다.8)


Sn-Ni계 금속간화합물
Ni은 확산방지층으로 많이 사용되며, 솔더 내의 Sn과 반응하여 Sn-Ni 계 금속간화합물을 형성하게 된다. 그림 3은 Sn-Ni간 상평형도를 보인 것이다. 솔더링이 행해지는 온도인 230℃ 부근에서 생성 가능한 Sn-Ni간 금속간화합물은 Ni3Sn, Ni3Sn2, Ni3Sn4의 세 종류이다.

Sn-Cu계 금속간화합물
Sn과 Cu간에는 Cu3Sn(ε상)과 Cu6Sn5(η상)가 관찰된다. 그림 4는 Sn-Cu 상평형도를 보인 것이다. Cu3Sn의 성장의 활성화에너지는 Cu6Sn5의 두 배 가량이다9). ε상과 η의 두께는 170℃에서는 거의 같으나 활성화에너지는 ε상과 η이 각각 1eV, 0.5eV로서 두 배가 된다. 이론적으로 계산한 ε상:η상의 상온에서의 두께는 약 1:500정도가 되기 때문에, 저온에서는 ε상의 생성이 극히 적고 η상(Cu6Sn5) 만이 생성되는 것으로 알려져 있다.

그림 5는 3.5Ag0.75Cu 솔더와 동 패드, Sn3Ag8Bi5In 솔더와 Ni층 사이10)에서 발생한 금속간 화합물의 예를 보인 것이다.
전자제품의 사용에 의해 솔더링부가 발열되고 시간이 지나 시효되면, 계면의 금속간 화합물층뿐만 아니라 솔더 내부의 금속간 화합물과 솔더링부의 미세 조직이 조대화 되어 취성을 띠게 되면서 시효강도가 저하된다.

다음호에서는 스텐실 프린팅과 솔더링 부의 접합강도의 실험방법에 대해 설명하겠다.
스텐실 프린팅은 입도 30~40㎛급 크림 솔더과 입도 15~25㎛급 크림 솔더를 도포하기 위하여 Japan Pulse Laboratories. Inc의 SP-410M 스텐실 프린터를 사용하였다. 입도 30~40㎛급 크림 솔더를 사용한 솔더 범프의 전단강도 측정을 위한 기판은 실리콘(Si)웨이퍼에 Thermal evaporator와 E-gun evaporator를 사용하여 Au(20nm)/Cu(400nm)/Ni(400nm)/Al(400nm) 두께를 가진 UBM(Under Bump Metallurgy)층을 형성하였다. 또한 입도 15~25㎛급 크림 솔더의 전단강도의 측정을 위한 기판은 FR-4 (10mm×10mm) 위에 피치가 800㎛, 지름이 300㎛의 원 모양의 패드 위에 Au(0.5㎛)/Ni(5㎛n)/Cu(18㎛)로 UBM을 증착하였다.

형성된 UBM층과 패드위에 크림 솔더를 도포한 후, Sn37Pb, Sn36Pb2Ag 크림 솔더는 230℃에서, Sn3.5Ag, Sn3.0Ag0.5Cu, Sn1.7Bi0.8Cu0.6In는 250℃에서 솔더링을 하였다. 솔더링은 열풍 및 적외선 겸용 리플로우 머신을 이용하였다. 스텐실 범프 형성공정을 나타내었다.
입도 15~25㎛ Sn1.7Bi0.8Cu0.6In 크림 솔더를 기판 위에 스텐실 프린팅 한 후 형상을 관찰 하기 위해 100℃에서 1시간 시효 하여 flux를 기화시켰다. 시효한 시편을 SEM(Scanning Electro Microscope)을 이용하여 관찰하였다.