Effect of ENEPIG plating thickness on interfacial reaction and shear strength of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joints :Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 접합부의 계면반응과 접합강도에 미치는 ENEPIG 도금 두께의 영향

백종훈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 백종훈 (성균관대학교, 성균관대학교 일반대학원)

지도교수: 정승부

발행연도: 2018

저작권: 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수3

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2018

Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 접합부의 계면반응과 취성파괴율에 미치는 Thin ENEPIG 도금두께의 영향

백종훈 , 유세훈 , 한덕곤 외 2명 대한용접·접합학회지 2018.10 학술저널

Effect of ENEPIG plating thickness on interfacial reaction and shear strength of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joints

백종훈 신소재공학과 2018.01 학위논문

2017

0.1 ㎛ Ni두께를 가지는 얇은 ENEPIG 층과 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와의 계면반응 및 접합강도

백종훈 , 유세훈 , 한덕곤 외 2명 대한용접·접합학회지 2017.12 학술저널

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최근 전자패키징 기술은 모바일 디바이스 및 웨어러블 기기에 대한 폭발적인 수요증가로 인해 경박단소화에 대한 요구가 급속도로 증가하고 있으며, 또한 고온, 열충격, 진동 등의 가혹한 환경에서 장기간 사용이 가능한 고신뢰성 제품에 대한 요구가 증가하고 있다. 그 중에서도 일반적인 Cu 기판 사용시, 솔더와의 빠른 반응 특성 및 Cu6Sn5, Cu3Sn 등의 금속간화합물 (Intermetallic compound)의 생성으로 인해 장기적인 신뢰성에 저하가 나타나므로, 이를 개선하기 위한 방법으로 ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) 또는 ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) 도금층이 사용되어져왔다. ENEPIG 도금층은 중간 삽입층인 Pd 층의 존재로 인해 Ni3Sn4, Ni3P 등의 IMC 생성 및 Kirkendall void의 생성을 억제하여, ENIG 도금층에 비해 우수한 기계적 신뢰성을 나타낸다. 하지만, 주로 사용하는 ENEPIG 도금층은 Ni 층의 두께가 약 3~7 ㎛ 정도로 두껍기 때문에 미세피치 패키지 대응에 있어서 배선간 간격이 줄어듦에 따라 플립칩 접합 시 인접 솔더끼리 단락되는 솔더 브릿지 발생이 증가하는 문제점이 있으며, 배선간 간격이 줄어듦에 따라 Cu pad 사이에 Trace를 형성하기 어려운 단점이 있다. 또한 ENEPIG 도금층내의 Ni 층의 존재는 솔더 접합부의 전기저항을 크게 증가시킨다. 따라서 이와 같은 문제를 해결하기 위해 Ni 층의 두께가 약 0.1 ㎛ 로 얇은 thin ENEPIG 표면처리에 대한 요구가 대두되고 있다. 본 연구에서는 미세피치 패키지 적용을 위한 실험으로 다양한 ENEPIG 도금층을 형성하여 솔더링 특성을 비교, 평가하였다. 먼저, Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) 솔더합금에 대한 ENEPIG 도금층의 Reflow 공정 및 Aging test가 실행되었다. 그 다음 계면 분석, 전단 시험을 통한 솔더 접합부 기계적 신뢰성이 평가되었다. 모든 ENEPIG 도금층의 계면에서 (Cu,Ni)6Sn5 금속간화합물이 생성되었으며, 얇은 두께의 Ni 층 및 장시간의 Aging test를 진행한 시편의 (Cu,Ni)6Sn5 금속간화합물의 두께는 더 두껍게 성장하는 경향이 나타났다. 또한 Ni 층의 두께가 두꺼운 ENEPIG 도금층의 계면에서는 P-rich Ni 층도 생성되었다. 전단시험 결과 얇은 두께의 Ni 층, 높은 전단속도 및 장시간의 Aging test를 진행한 시편의 취성파괴율이 높아지는 경향을 보였다.

Recently, electronic packaging technology has been rapidly increasing demand for lightweighting and shortening due to explosive demand for mobile devices and wearable devices. In addition, there is an increasing demand for highly reliable products that can be used for long time in harsh environments such as high temperature, high pressure, and vibration. Among them, using general Cu substrate, due to rapid reaction with solder and formation of intermetallic compounds (IMCs) such as Cu6Sn5 and Cu3Sn, resulting in a decrease in long-term reliability. To improve these problems, Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG) or Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold (ENEPIG) has been used. ENEPIG prevent the formation of Ni3Sn4 and Ni3P IMCs and Kirkendall void due to the existence of Pd layer, which is an intermediate insertion layer, and shows excellent mechanical reliability compared with ENIG. However, the mainly used ENEPIG is thick because the thickness of the Ni layer is about 3 to 7 ㎛. Therefore, there is a problem that the formation of solder bridges short-circuiting between neighboring solder during flip-chip bonding increases as the distance between wiring decreases in the fine pitch package. It is also difficult to form traces between the Cu pads as the spacing between wires decreases. The presence of the Ni layer of ENEPIG also greatly increases the electrical resistance of the solder joint. Therefore, in order to solve these problems, there is a demand for thin ENEPIG surface finish in which the thickness of the Ni layer is as thin as about 0.1 ㎛. In this study, solderability characteristics were compared and evaluated by forming various ENEPIGs for the application of fine pitch package. First, solder balls were placed on the PCB printed with SAC305 solder paste, and reflow process and aging test were performed. Then, interfacial reaction analysis and shear test were performed to evaluate the mechanical reliability of the solder joint. The (Cu,Ni)6Sn5 IMC was formed at the interface of all ENEPIGs. The thickness of the (Cu,Ni)6Sn5 IMC with the thin Ni layer and the long aging test specimen tended to grow thicker. P-rich Ni layer was also formed at the interface of ENEPIG with thick Ni layer. Shear test results showed that the brittle fracture rate of specimens with thin Ni layer, high speed shear and long aging test tended to increase.

#Fine pitch package #Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold (ENEPIG) #Solder ball #Intermetallic compound (IMC) #Failure mode

CHAPTER 1. INTRODUCTION 9
CHAPTER 2. THEORETICAL BACKGROUND 11
2.1 Electronic packaging 11
2.2 Conditions of various surface finishes on electronic packaging 13
2.2.1 ENIG 13
2.2.2 ENEPIG 13
2.2.3 Thin ENEPIG 14
2.2.4 Comparison of ENIG, normal ENEPIG and thin ENEPIG 14
2.3 Soldering 18
2.4 Solder ball 18
CHAPTER 3. EXPERIMENTAL PROCEDURES 20
3.1 Solder alloy and reflow process 20
3.2 Aging test 23
3.3 Analysis of interfacial reaction 23
3.4 Evaluation of mechanical reliability 23
3.4.1 Ball shear test 23
3.5 Various test conditions of normal ENEPIG and thin ENEPIG 26
3.5.1 Interfacial reaction and mechanical property analysis of normal ENEPIG and thin ENEPIG with reflow time 26
3.5.2 Interfacial reaction and mechanical property analysis of normal ENEPIG and thin ENEPIG with aging time and shear speed 26
3.5.3 Mechanical property analysis of thin ENEPIG with shear speed 26
3.6 Various surface finish conditions and test conditions of thin ENEPIG 27
3.6.1 Thin ENEPIG with Ni and Pd thickness 27
3.6.2 Thin ENEPIG with Pd content, aging time and shear speed 27
CHAPTER 4. RESULTS AND DISCUSSION 28
4.1 Comparison of normal ENEPIG and thin ENEPIG 28
4.1.1 Comparison and evaluation of interfacial reaction between normal ENEPIG and thin ENEPIG with reflow time 28
4.1.2 Comparison and evaluation of interfacial reaction and shear strength between normal ENEPIG and thin ENEPIG with aging time 32
4.1.3 Comparison and evaluation of brittle fracture rate between normal ENEPIG and thin ENEPIG with shear speed 38
4.2 Surface finish optimization of thin ENEPIG 43
4.2.1 Optimization of Ni thickness 43
4.2.2 Optimization of Pd thickness 49
4.3 Effect of Pd content, aging time and shear speed 55
CHAPTER 5. CONCLUSIONS 67
REFERENCES 71
ABSTRACT 78

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	저자 메타	소속기관, 소속부서, 직급, 연구분야, 연구키워드, 이용수, 피인용수, 저자 논문활용도

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