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실험 방법과 실험 결과
솔더링은 융점 450℃ 미만의 용융된 솔더를 피접합재의 틈새에 침투, 퍼지게 하여 접합하는 방법이다. 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. 본고에서는 스텐실 프린팅, 솔더링 부의 접합강도, 미세조직, 열충격 시험 등을 통해 그 결과를 고찰해본다.
글 : 전주선, (주)단양솔텍 CEO / zeuscheon@dyst21.co.kr
실험 방법
스텐실 프린팅(Stencil printing)
입도 30~40㎛급 크림 솔더(Sn37Pb, Sn36Pb2Ag, Sn3.5Ag, Sn1.7Bi0.8Cu0.6In)와 입도 15~25㎛급 크림 솔더 [Sn37Pb (20~30㎛), Sn36Pb2Ag (20~30㎛), Sn3.0Ag0.5Cu, Sn1.7Bi0.8Cu0.6In]를 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 UBM 층과 패드위에 크림 솔더를 도포한 후 Sn37Pb, Sn36Pb2Ag 크림 솔더는 230℃에서 Sn3.5Ag, Sn3.0Ag0.5Cu, Sn1.7Bi0.8Cu0.6In는 250℃에서 솔더링을 하였다 (그림 1). 솔더링은 열풍 및 적외선 겸용 리프로 머신을 이용하였다. 그림 2에 스텐실 범프 형성공정을 나타내었다.
입도 15-25㎛ Sn1.7Bi0.8Cu0.6In 크림 솔더를 기판 위에 스텐실 프린팅 한 후 형상을 관찰하기 위해 100℃에서 1시간 시효 하여 flux를 기화시켰다. 시효한 시편을 SEM(Scanning Electro Microscope)을 이용하여 관찰하였다(그림 3).
솔더링 부의 접합강도
1. 입도 30~40㎛급 크림 솔더
솔더링 부의 접합 강도를 측정하기 위하여 전단강도 시험기(Shear strength tester)를 사용하였다. 전단강도의 측정을 위한 시편은 Thermal evaporator 와 E-gun evaporator를 사용하여 Au(20nm)/Cu(400nm)/Ni(400nm)/Al(400nm) 두께를 가진 UBM(Under Bump Metallurgy) 층을 형성하였다.
Sn37Pb, Sn36Pb2Ag 크림 솔더(230℃)와 Sn3.5Ag, Sn1.7Bi0.8Cu0.6In(250℃)에서 솔더링 후 여러 가지 리플로우 후 상태 하에서의 솔더 범프의 전단강도 특성을 알아보기 위하여 리플로우 횟수(1, 2, 5, 10번)에 따른 전단강도 변화를 측정하였다. 또한 고온방치에 따른 강도변화를 알아보기 위하여 120℃에서 시효 후 강도를 측정하였다.
그림 4에 전단강도 측정조건을 나타내었다. 팁과 기판과의 거리는 5㎛, 팁의 이동속도는 200㎛/sec이다. 각 조건당 20회 이상 전단강도를 측정하여 평균값과 편차를 계산하였다.
2. 입도 15~25㎛급 크림 솔더
솔더링 부의 접합 강도를 측정하기 위하여 전단강도 시험기(Shear strength tester)를 사용하였다. 전단강도의 측정을 위한 기판은 FR-4(10mm×10mm) 위에 피치가 800㎛, 지름이 300㎛의 원 모양의 패드 위에 Au(0.5㎛)/Ni(5㎛)/Cu(18㎛)로 증착하여 만들었다.
Sn37Pb(20~30㎛), Sn36Pb2Ag(20~30㎛) 크림 솔더와 Sn3.0Ag0.5Cu(15~25㎛), Sn1.7Bi0.8Cu0.6In(15~25㎛) 크림 솔더를 기판에 스텐실 프린팅 한 후 각각 230℃, 250℃에서 솔더링 하였다. 솔더 범프의 전단강도와 고온 방치에 따른 강도변화를 알아보기 위해 150℃에서 시효 후(100, 300, 500시간) 전단강도를 측정하였다.
그림 4에 전단강도 측정조건을 나타내었다. 팁과 기판과의 거리는 5㎛, 팁의 이동속도는 200㎛/sec이다. 각 조건당 20회 이상 전단강도를 측정하여 평균값과 편차를 계산하였다.
미세조직
일반적으로 솔더 범프는 2번의 리플로우 과정을 거치게 된다. 첫 번째 리플로우는 범핑 공정(Bumping process)이고, 두 번째 리플로우는 플립칩 본딩 공정에서 다이(Die)배치 후에 실시한다. 리플로우 공정 동안, 솔더 범프의 융점 이상으로 온도를 올리게 되고, 솔더가 용융되는동안 본드 패드(Bond pad)와 금속학적 접합이 이루어진다. 더불어 솔더의 조성과 높이가 균일화 된다.
1. 입도 30~40㎛급 크림 솔더
솔더링 시의 계면에 생성된 금속간 화합물을 조사하기 위해서 Sn37Pb, Sn36Pb2Ag 크림솔더와 Sn3.5Ag, Sn1.7Bi0.8Cu0.6In 크림 솔더를 각각 230℃, 250℃에서 리플로우 솔더링하여 그 미세조직을 분석하였다. 플립칩 패키지 제작 시에 여러 번의 리플로우를 하기 때문에 리플로우 회수를 1, 2, 5, 10로 증가시켜가며 솔더링 한 후 미세조직을 관찰하였다.
리플로우 솔더링 후 접합부 단면 미세조직 관찰은 주사전자 현미경(SEM)을 이용하였고, 솔더/기판 계면에 형성된 금속간 화합물의 성분을 분석하기 위하여 EDS(Energy dispersive spectrometer)를 사용하였다. 계면에 형성된 금속간 화합물을 보다 자세하게 관찰하기 위하여, 범프가 형성된 시편에서 솔더부를 모두 제거한 후 주사전자 현미경으로 관찰하였다. 또한 고온방치(120℃ 시효) 후 솔더와 기판계면의 금속간 화합물을 관찰하였다.
2. 입도 15~25㎛급 크림 솔더
솔더링시의 계면에 생성된 금속간 화합물을 조사하기 위해서 Sn37Pb, Sn36Pb2Ag 크림 솔더와 Sn3.Ag0.5Cu, Sn1.7Bi0.8Cu0.6In 크림 솔더를 각각 230℃, 250℃에서 리플로우 솔더링하여 그 미세조직을 분석하였다. 리플로우 솔더링 후 접합부 단면 미세조직 관찰은 주사전자 현미경(SEM)을 이용하였고, 솔더/기판 계면에 형성된 금속간 화합물의 성분을 분석하기 위하여 EDS(Energy dispersive spectrometer)를 사용하였다.
고온방치(150℃ 시효) 후 솔더와 기판계면의 금속간 화합물을 관찰하였고 Sn1.7Bi0.8Cu0.6In(15~25㎛) 크림 솔더가 도금층의 종류와 시효시간에 따라 어떻게 변하는지를 알아보았다. 사용된 도금층은 Cu(4000Å)/ Ni(4000Å)/ Al(3000Å), Cu(4㎛)/ Ni(4㎛)/ Al(3000Å)이고, 시효는 300, 500, 1000시간을 하였다. 시효 후 SEM으로 관찰하였다.
열충격 시험
전자제품의 사용 시 온도 급변 환경을 고려한 솔더링 부의 신뢰성 평가를 위하여 열충격 시험을 행하였으며, 시험 후 시료의 접합강도 및 미세조직을 관찰하였다.
시험을 위해 Si-wafer위에 UBM을 증착한 후 입도 15~25㎛급 Sn1.7Bi0.8Cu0.6In 크림 솔더를 스텐실 프린팅한 시편을 만들었다. 이 시편을 FR-4 기판 위에 Electronic Vision Co.의 EV 501 Bonding station를 이용하여 접합하였다. 그림 5에 플립칩 접합 장치의 개략도를 나타내었다. 플립칩 접합 시의 조건은 40℃에서 160℃까지 55초, 160℃에서 250℃까지 45초이고 접합시 압력은 5N이다.
Si-die의 UBM층은 Au(50nm)/Cu(400nm)/Al(300nm), Au(50nm)/Ni(400nm)/Al(300nm)의 두 종류로 하였고 FR-4 기판은 FR-4(15mm×10mm) 위에 피치가 800㎛, 지름이 300㎛의 원 모양의 패드 위에 Au(0.5㎛)/Ni(5㎛ )/Cu(18㎛)로 증착하여 만들었다.
열 충격 시험은 ESPEC corp.의 TSE-11 열 충격 시험기를 이용하였고 시험 조건은 그림 6과 같이 -40℃에서 15분, 125℃에서 15분으로 1cycle에 30분씩 500cycles 열 충격 시험을 하여 열 충격하기 전과 전단 강도를 측정하여 비교하였다. 그림 7에 전단 강도 시험의 조건을 나타내었다. 전단 팁과 FR-4 기판과 거리는 100㎛이고 전단 팁의 속도는 200㎛/s이다. 또한 열 충격 시험 후의 미세조직의 변화를 관찰하여 비교 하였다.
실험 결과
솔더링 부의 기계적 특성
1. 입도 30~40㎛급 크림 솔더
입도 30~40㎛급 크림 솔더를 Au(20nm)/Cu(400nm)/ Ni(400nm)/Al(400nm) UBM층 위에 프린팅하여 솔더 범프를 제조하였다. 범프 제조를 위해 Sn37Pb, Sn36Pb2Ag 솔더의 경우 230℃에서 Sn3.5Ag, Sn1.7Bi0.8Cu0.6In 솔더는 250℃에서 각각 리플로우 하였다. 그림 8에 Sn37Pb, Sn36Pb2Ag, Sn3.5Ag, Sn1.7Bi0.8Cu0.6In 를 사용하여 제조된 솔더 범프의 전단강도 결과를 나타내었다. 무연 솔더로는 Sn1.7Bi0.8Cu0.6In 솔더는 전단강도 값이 646gf로써 Sn3.5Ag솔더의 609gf 보다 37gf정도 높았고, 유연 솔더로는 Sn36Pb2Ag 솔더가 512gf로써 Sn37Pb 솔더의 411gf 보다 100gf정도 높은 값을 나타내었다.
그림 9는 리플로우 횟수에 따른 전단강도의 변화를 보이고 있다. Sn3.5Ag 솔더에서 5회 리플로우 후에 약 17% 정도의 전단강도의 감소를 보였을 뿐, 나머지 솔더에서는 횟수에 따른 지속적인 강도의 감소현상은 보이지 않았다. 범프(Bump)의 파괴모드(Failure mode)는 거의 UBM층이 아닌 솔더에서 파괴가 일어나는 연성파괴(Ductile Failure)였다.
그림 10은 리플로우 솔더링 후에 120℃의 로(Furnace)안에서 시효 시간을 500시간까지 증가 시켰을 때 시효 시간에 따른 전단강도의 변화를 보인 그래프이다.
Sn37Pb, Sn36Pb2Ag, Sn3.5Ag, Sn1.7Bi0.8Cu0.6In 솔더에서 시효 시간을 500시간까지 증가 시켰을 때 각각 18%, 21%, 18%와 19%의 강도감소를 나타내었다. 금속의 강도는 미세조직에 매우 민감한데, 입자 크기가 커질수록 금속의 강도가 감소한다(by Hall-Petch relation). 따라서 120℃에서 시효 시간을 500시간까지 증가시킴에 따라 금속의 입자 크기가 증가하여, 강도가 감소된 것으로 판단된다. 이외에도 접합계면의 금속간화합물을 따라 형성되는 커켄달 보이드 (Kirkendall Void)에 의한 심각한 강도 감소가 있을 수 있으나, 본 연구에서는 커켄달 보이드의 효과는 확인하지 못 하였다.
그림 11, 12, 13과 14에 솔더의 파괴모드를 보였다. 네 가지 경우 모두에서 솔더 내부에서 파괴가 일어난 것을 볼 수 있다. 또한 무연솔더 Sn3.5Ag는 유연 솔더인 Sn36Pb보다 높은 전단강도 값을 보였다. Coyle와 Choi는 솔더에서 파괴가 일어난다면, 전단강도는 솔더재료의 경도에 직접적으로 연관된다고 보고하였다. 즉, Sn3.5Ag는 경도가 25로써 유연 솔더인 Sn36Pb의 경도 20보다 높기 때문에, 그 강도도 높다고 볼 수 있을 것이다.