금속패드가 Sn계 무연솔더의 저주기 피로저항성에 미치는 영향 = Effects of Surface Finishes on the Low Cycle Fatigue Characteristics of Sn-based Pb-free Solder Joints

국문 초록 (Abstract)

플립칩 전자패키지에서 칩과 기판(PCB)를 연결할 때, 통상적으로 칩쪽은 금속패드/UBM 처리를 기판 쪽은 표면처리를 한 후 솔더로 연결하는데, 이 때 사용되는 UBM이나 표면처리에 따라, 칩/솔더, PCB/솔더에 생성되는 금속간 화합물의 종류와 두께 및 솔더의 조성이 변하게 되어 궁극적으로 솔더 접합부의 기계적 신뢰성에 영향을 주게 된다. 본 연구에서는 Cu와 Au/Ni의 두가지 금속 패드가 무연솔더의 저주기 피로특성에 어떠한 영향을 미치는 지에 대해 고찰해 보았다. 저주기 피로 실험은 Cu나 Au/Ni이 표면처리 된 기판에 무연솔더 (Sn-3.5Ag, Sn-3.5Ag-1.5Cu, Sn-3.5Ag-XBi(X=2.5, 7.5), Sn-0.7Cu)를 리플로하여 총변위를 변화시키면서 상온에서 시행하였다. 기판의 표면처리에 관계없이 Sn-3.5Ag, Sn-3.5Ag-XCu(X-0.75, 1.5), Sn-0.7Cu 합금이 Sn-3.5Ag-7.5Bi 합금보다 피로저항성이 현격히 좋았으며, Au/Ni 표면처리한 솔더 접합부가 Cu 처리한 경우보다 피로저항성이 뛰어난 것으로 나타났다. 파괴 후 단면을 조사한 결과 계면에 형성된 금속간 화합물 내에 미세균열이 발견되었는데, Cu 표면처리를 사용한 경우 더 많은 미세균열이 생성된 것을 볼 수 있었다. Sn-3.5Ag, Sn-3.5Ag-Cu(X=0.75, 1.5), Sn-0.7Cu 합금의 경우 금속간 화합물 내에 생기는 미세 균열이 거시 균열로 성장하지 않고 파단은 항상 솔더 내부로 일어난 반면. Bi를 함유한 솔더의 경우, 기판의 표면처리에 상관없이 금속간 화합물/솔더 계면으로 균열이 생성 진전되어 다른 솔더합금에 비해 열악한 피로저항성을 나타내는 것으로 보인다. 이것은 Bi의 금속간화 합물/솔더 입계 편석이나 Bi 합금이 다른 합금에 비해 높은 경도값을 가지는 것에 인한 것으로 보여 진다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Surface finishes of PCB laminates are important in the solder joint reliability of flip chip package because the types and thicknesses of intermetallic compound(IMC), and compositions and hardness of solders are affected by them. In this study, effects of surface finishes of PCB on the low cycle fatigue resistance of Sn-based lead-free solders; Sn-3.5Ag, Sn-3.5Ag-XCu(X=0.75, 1.5), Sn-3.5Ag-XBi(X=2.5, 7.5) and Sn-0.7Cu were investigated for the Cu and Au/Ni surface finish treatments. Displacement controlled room temperature lap shear fatigue tests showed that fatigue resistance of Sn-3.5Ag-XCu(X=0.75, 1.5), Sn-3.5Ag and Sn-0.7Cu alloys were more or less the same each other but much better than that of Bi containing alloys regardless of the surface finish layer used. In general, solder joints on the Au/Ni finish showed better fatigue resistance than those on the Cu finish. Cross-sectional fractography revealed microcracks nucleation inside of the interfacial IMC near the solder mask edge, more frequently on the Cu than the Au/Ni surface finish. Macro cracks followed the solder/IMC interface in the Bi containing alloys, while they propagated in the solder matrix in other alloys. It was ascribed to the Bi segregation at the solder/IMC interface and the solid solution hardening effect of Bi in the $\beta-Sn$ matrix.