PCB의 ENIG와 OSP 표면처리에 따른 Sn-3.5Ag 무연솔더 접합부의 Electromigration 특성 및 전단강도 평가

김성혁,이병록,김재명,유세훈,박영배,Kim, Sung-Hyuk,Lee, Byeong-Rok,Kim, Jae-Myeong,Yoo, Sehoon,Park, Young-Bae 한국재료학회 2014 한국재료학회지 Vol.24 No.3

The effects of printed circuit board electroless nickel immersion gold (ENIG) and organic solderability preservative (OSP) surface finishes on the electromigration reliability and shear strength of Sn-3.5Ag Pb-free solder bump were systematically investigated. In-situ annealing tests were performed in a scanning electron microscope chamber at 130, 150, and $170^{\circ}C$ in order to investigate the growth kinetics of intermetallic compound (IMC). Electromigration lifetime and failure modes were investigated at $150^{\circ}C$ and $1.5{\times}10^5A/cm^2$, while ball shear tests and failure mode analysis were conducted under the high-speed conditions from 10 mm/s to 3000 mm/s. The activation energy of ENIG and OSP surface finishes during annealing were evaluated as 0.84 eV and 0.94 eV, respectively. The solder bumps with ENIG surface finish showed longer electromigration lifetime than OSP surface finish. Shear strengths between ENIG and OSP were similar, and the shear energies decreased with increasing shear speed. Failure analysis showed that electrical and mechanical reliabilities were very closely related to the interfacial IMC stabilities.

리플로우 횟수가 ENIG/Sn-3.5Ag/ENIG BGA 솔더 조인트의 기계적, 전기적 특성에 미치는 영향

성지윤,표성은,구자명,윤정원,노보인,원성호,정승부,Sung, Ji-Yoon,Pyo, Sung-Eun,Koo, Ja-Myeong,Yoon, Jeong-Won,Noh, Bo-In,Won, Sung-Ho,Jung, Seung-Boo 한국마이크로전자및패키징학회 2009 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.16 No.1

본 연구에서는 electroless nickel / immersion gold (ENIG) 처리된 printed circuit board (PCB)를 무연 솔더인 Sn-3.5(wt%)Ag로 접합하였다. 리플로우 횟수를 1회부터 10회까지 다양하게 하여 리플로우 횟수가 증가함에 따른 솔더 접합부의 기계적, 전기적 특성의 변화에 대해 연구하였다. 접합부의 미세 조직 관찰을 위해 접합부 단면을 폴리싱 하여 금속간 화합물의 두께를 측정하고 종류를 분석하였다. 접합부의 기계적 특성을 평가하기 위해서 die 전단 시험을 하였는데, 리플로우 횟수가 4-5회일 때까지 전단 강도 값이 증가하다가 5회 이후로 감소하였다. 전기적 특성을 알아보기 위해 전기 저항 값을 측정하였는데, 리플로우 횟수가 증가할수록 접합부의 전기 저항 값은 점점 증가하였다. In this study, solder joints were made with Sn-3.5Ag (wt%) solder ball. Electroless nickel / immersion gold (ENIG) printed circuit board (PCB) substrates were employed in this work. The mechanical and electrical properties were measured as a function of the number of reflow. Die shear strength was measured with increasing reflow number. Until the forth or fifth reflow, shear force increased and after the fifth reflow the shear force of die decreased. The electrical resistivity of solder joint linearly increased with increasing reflow number.

Ru Nanoparticle이 첨가된 Sn-58Bi 솔더의 기계적 신뢰성 및 계면반응에 관한 연구

김병우,최혁기,전혜원,이도영,손윤철,Kim, Byungwoo,Choi, Hyeokgi,Jeon, Hyewon,Lee, Doyeong,Sohn, Yoonchul 한국마이크로전자및패키징학회 2021 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.28 No.2

대표적인 저온솔더인 Sn-58Bi에 Ru nanoparticles을 첨가하여 Sn-58Bi-xRu 복합솔더를 제작하고 Cu/OSP 및 ENIG 표면처리된 PCB 기판과 반응시켜 계면반응 및 솔더조인트 신뢰성을 분석하였다. Cu/OSP와의 반응에서 형성된 Cu₆Sn₅ IMC는 Ru 함량에 따른 두께 변화가 거의 없고 100hr aging 후에도 큰 변화없이 고속 전단시험시 솔더 내부로 연성파괴가 발생하였다. ENIG 와의 반응시에는 Ru 함량이 증가함에 따라서 Ni₃Sn₄ IMC 두께가 감소하는 경향을 보였으며 일부 시편에서 ENIG 특유의 취성파괴 현상이 발견되었다. Ru 원소는 계면 부근에서 발견되지 않아서 계면반응에 크게 관여하지 않는 것으로 판단되며 주로 Bi phase와 함께 존재하는 것으로 분석되고 있는데 어떠한 형태로 두 원소가 공존하고 있는지에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다. Sn-58Bi-xRu composite solders were prepared by adding Ru nanoparticles to Sn-58Bi, a typical low-temperature solder, and the interfacial reaction and solder joint reliability were analyzed by reacting with Cu/OSP and ENIG surface treated PCB boards. The Cu₆Sn₅ IMC formed by the reaction with Cu/OSP had little change in thickness depending on the Ru content, and ductile fracture occurred inside the solder during the high-speed shear test without any significant change even after 100 hr aging. In reaction with ENIG, the Ni₃Sn₄ IMC thickness tended to decrease as the Ru content increased, and ENIG-specific brittle fracture was found in some specimens. Since Ru element is not found near the interface, it is judged not to be significantly involved in the interfacial reaction, and it is analyzed that it mainly exists together with the Bi phase.

Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더범프의 금속간화합물 성장거동에 미치는 PCB 표면처리의 영향

정명혁,김재명,유세훈,이창우,박영배,Jeong, Myeong-Hyeok,Kim, Jae-Myeong,Yoo, Se-Hoon,Lee, Chang-Woo,Park, Young-Bae 한국마이크로전자및패키징학회 2010 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.17 No.1

Thermal annealing and electromigration test were performed at $150^{\circ}C$ and $4{\times}10^3\;A/cm^2$ conditions in order to investigate the effect of PCB surface finishs on the growth kinetics of intermetallic compound (IMC) in Sn-3.0Ag-0.5Cu solder bump. The surface finishes of the electrodes of printed circuit board (PCB) were organic solderability preservation (OSP), immersion Sn, and electroless Ni/immersion gold (ENIG). During thermal annealing, the OSP and immersion Sn show similar IMC growth velocity, while ENIG surface finish had much slower IMC growth velocity. Applying electric current accelerated IMC growth velocity and showed polarity effect due to directional electron flow. Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더범프의 금속간화합물 성장거동에 미치는 PCB 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 PCB 패드 표면에 각각 OSP, immersion Sn, 그리고 ENIG를 처리하였고, 열처리는 $150^{\circ}C$ 조건에서 실험을 실시하였다. 또한, 전류인가시 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더범프의 접합부 계면반응에 미치는 표면처리의 영향을 알아보기 위해서 $150^{\circ}C$, $4{\times}10^3\;A/cm^2$ 조건에서 electromigration특성을 비교 평가하였다. 열처리시 OSP와 immersion Sn의 금속간화합물 성장거동은 서로 비슷한 경향을 보인 반면, ENIG는 다른 표면처리에 비해 훨씬 느린 성장거동을 보였다. electromigration특성 평가결과 열처리에 비해 금속간화합물의 성장이 가속화되나 표면처리별 경향은 유사하였고, 전자 이동 방향에 따른 음극-양극에서 금속간화합물 형성의 차이를 보이는 극성효과(polarity effect)가 나타나는 것을 알 수 있었다.

ENIG 무전해 니켈 도금 공정 조건에 따른 ENIG/Sn-Ag-Cu 접합부 계면 반응 연구

서원일(Wonil Seo),김영호(Young-Ho Kim),유세훈(Sehoon Yoo) 대한용접·접합학회 2017 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2017 No.11

Ni(P) 표면처리 조건에 따른 ENIG/Sn-Ag-Cu 접합부의 고속전단강도 특성

서원일(Wonil Seo),김영호(Young-Ho Kim),유세훈(Sehoon Yoo) 대한용접·접합학회 2016 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2016 No.4

무전해 니켈의 미세조직에 따른 ENIG/SAC305 접합부 취성파괴 특성

서원일(Wonil Seo),김영호(Young-Ho Kim),유세훈(Sehoon Yoo) 대한용접·접합학회 2019 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2019 No.5

Electroless Nickel Autocatalytic Gold (ENAG) 표면처리와 Sn-Ag-Cu솔더 간 접합부의 계면반응 및 취성파괴 신뢰성 비교 연구

전소연,권상현,이태영,한덕곤,김민수,방정환,유세훈 한국마이크로전자및패키징학회 2022 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.29 No.3

In this study, the interfacial reaction and drop impact reliability of Sn-Ag-Cu (SAC) solder and electroless nickel autocatalytic gold (ENAG) were studied. In addition, the solder joint properties with the ENAG surface finish was compared with electroless nickel immersion gold (ENIG) and electroless nickel electroless palladium immersion gold (ENEPIG). The IMC thickness of SAC/ENAG and SAC/ENEPIG were 1.15 and 1.12 ㎛, respectively, which were similar each other. The IMC thickness of the SAC/ENIG was 2.99 ㎛, which was about two times higher than that of SAC/ ENAG. Moreover, it was found that the IMC thickness of the solder joint was affected by the metal turnover (MTO) condition of the electroless Ni(P) plating solution, and it was found that the IMC thickness increased when the MTO increased from 0 to 3. The shear strength of SAC/ENEPIG was the highest, followed by SAC/ENAG and SAC/ENIG. It was found that when the MTO increased, the shear strength was lowered. In terms of brittle fracture, SAC/ENEPIG was the lowest among the three joints, followed by SAC/ENAG and SAC/ENIG. Likewise, it was found that as MTO increased, brittle fracture increased. In the drop impact test, it was confirmed that the 0 MTO condition had a higher average number of failures than the 3 MTO condition, and the average number of failures was also higher in the order of SAC/ENEIG, SAC/ENAG, and SAC/ENIG. As a result of observing the fracture surface after the drop impact, it was found that the fracture was between the IMC and the Ni(P) layer. 본 연구에서는 Sn-Ag-Cu (SAC)솔더와 electroless nickel autocatalytic gold (ENAG) 표면처리 간 계면반응 및낙하충격 신뢰성을 연구하였다. ENAG 솔더 접합부의 특성은 다른 Ni계 표면처리인 electroless nickel immersion gold (ENIG)와 electroless nickel electroless palladium immersion gold (ENEPIG)와 비교 평가 하였다. SAC솔더와 Ni계 표면처리 계면에서는 (Cu, Ni)6Sn5 intermetallic compound (IMC)가 형성되었다. IMC 두께는 SAC/ENAG와 SAC/ENEPIG 는 1.15 ㎛, 1.12 ㎛로 비슷하였고, SAC/ENIG는 IMC 두께가 2.99 ㎛로 SAC/ENAG보다 2배 정도 높았다. 또한 솔더접합부의 IMC두께는 무전해 Ni(P) 도금액의 metal turnover (MTO)조건에 영향을 받는 다는 것을 알 수 있었고, MTO가0에서 3으로 증가하면 IMC두께가 증가함을 알 수 있었다. 전단강도는 SAC/ENEPIG의 접합강도가 가장 높았고, SAC/ ENAG, SAC/ENIG 순이었다. 또한, MTO가 증가하면, 전단강도가 낮아짐을 알 수 있었다. 취성파괴도 SAC/ENEPIG가세가지 접합부 중 가장 낮았으며, SAC/ENAG, SAC/ENIG 순이였고, 마찬가지로 MTO가 증가하면 취성파괴가 높아짐을알 수 있었다. 낙하충격 시험에서도 0 MTO조건이 3 MTO조건보다 높은 평균파괴횟수를 갖는 것을 확인하였고, 평균파괴횟수도 SAC/ENEPIG, SAC/ENAG, SAC/ENIG순으로 높았다. 낙하 충격 후 파단면을 관찰한 결과 크랙은 IMC와 Ni(P) 층 사이에서 진행되었다.

Effects of Solder Powder Particle Size and Substrate Surface Finish on Degradation Properties of Solder Joints

Kim Mi-Song,홍원식,Lee Hye-Min,김명인 대한용접·접합학회 2022 대한용접·접합학회지 Vol.40 No.3

In this study, the degradation characteristics of solder joints composed of powder-size Sn-3.0Ag-0.5Cu and the substrate surface finish are compared. Reflow is performed at a N2 ambient to apply an organic solderability preser- vative (OSP), electroless nickel/immersion gold (ENIG) substrates, and solder pastes of Type 6 (5-15 ㎛) and Type 7 (2-11 ㎛). Subsequently, a thermal shock test (TST) is performed for 1,500 cycles at a temperature of -40 ℃ to 125 ℃ (dwell time of 10 min) to analyze the deterioration characteristics. After N2 reflow is performed, the void content of the OSP substrate/solder joints is higher than that of the ENIG substrate/solder joints, and the shear strength of the ENIG substrate/solder joints is higher than that of the OSP substrate/solder joints. After 500 TST cy- cles, the shear strength at the OSP substrate/Type 7 solder joints does not decrease, whereas the shear strength at the ENIG substrate/Type 7 solder joints decreases by approximately 25%. Cross-sectional analysis shows that Cu6Sn5 and (Ni,Cu)3Sn4 intermetallic compounds (IMCs) emerged in the OSP and ENIG interfaces, respectively. The in- creasing rate of IMC thickness at the Type 7 solder joints is higher than that at the Type 6 solder joints. Fracture analysis shows that the OSP and ENIG joints fractured in the solder and solder/IMC interfaces, respectively. The IMC of the OSP and ENIG joints exhibit scallop and needle shapes, respectively. The ENIG joints fractured at the solder/IMC interface because of a stress concentration in the needle-type IMC. After 1500 TST cycles, the shear strength of all samples decreases by more than 50%. Cross-sectional analysis shows a crack at the solder joints of all samples after 1,000 cycles. The decrease in shear strength is caused by these cracks.

PCB 표면처리에 따른 Sn-3.0Ag-0.5Cu 무연솔더 접합부의 in-situ 금속간 화합물 성장 및 Electromigration 특성 분석

김성혁,박규태,이병록,김재명,유세훈,박영배,Kim, Sung-Hyuk,Park, Gyu-Tae,Lee, Byeong-Rok,Kim, Jae-Myeong,Yoo, Sehoon,Park, Young-Bae 한국마이크로전자및패키징학회 2015 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.22 No.2

인쇄회로기판 솔더 상부 및 하부 접합부의 서로 다른 표면처리 조건에 따른 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) 접합부의 열처리 및 전류 인가에 따른 금속간 화합물 성장거동을 비교하기 위하여 in-situ 미세구조분석 및 electromigration (EM) 수명평가를 실시하였다. 솔더 접합 직후, 상부 접합부의 electroless nickel immersion gold (ENIG) 표면처리에서는 $(Cu,Ni)_6Sn_5$, 하부 접합부의 organic solderability preservative (OSP) 표면처리에서는$ Cu_6Sn_5$, $Cu_3Sn$ 금속간 화합물이 접합 계면에서 생성되었다. EM 수명평가 결과 온도 $130^{\circ}C$, 전류밀도 $5.0{\times}10^3A/cm^2$ 하에서 평균파괴시간이 약 78.7 hrs으로 도출되었고, 하부 OSP 표면처리에서 전자가 솔더로 빠져나가는 부분에서 Cu의 소모에 의한 단락이 주 손상기구로 확인되었다. In-situ 주사전자현미경을 통해 계면 미세구조 분석 결과 상부 접합부 ENIG 표면처리에서 전자의 방향에 따른 미세구조의 큰 차이가 없고 뚜렷한 손상이 관찰되지 않았으나, 하부 접합부 OSP 표면처리의 경우 전자가 솔더로 유입되는 부분에서 빠른 Cu 소모로 인한 보이드 성장이 관찰되었다. 따라서, SAC305무연솔더 접합부에서 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리보다 보다 우수한 EM확산방지막 역할을 하여 금속간 화합물 성장을 억제하고 보다 우수한 EM 신뢰성을 보이는 것으로 판단된다. The effects of electroless nickel immersion gold (ENIG) and organic solderability preservative (OSP) surface finishes on the in-situ intermetallics reaction and the electromigration (EM) reliability of Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) solder bump were systematically investigated. After as-bonded, $(Cu,Ni)_6Sn_5$ intermetallic compound (IMC) was formed at the interface of the ENIG surface finish at solder top side, while at the OSP surface finish at solder bottom side,$ Cu_6Sn_5$ and $Cu_3Sn$ IMCs were formed. Mean time to failure on SAC305 solder bump at $130^{\circ}C$ with a current density of $5.0{\times}10^3A/cm^2$ was 78.7 hrs. EM open failure was observed at bottom OSP surface finish by fast consumption of Cu atoms when electrons flow from bottom Cu substrate to solder. In-situ scanning electron microscope analysis showed that IMC growth rate of ENIG surface finish was much lower than that of the OSP surface finish. Therefore, EM reliability of ENIG surface finish was higher than that of OSP surface finish due to its superior barrier stability to IMC reaction.