Drop reliability evaluation of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joint with OSP and ENIG surface finishes

OSP·ENIG 표면 처리된 기판과 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 접합부의 낙하충격 신뢰성 평가

하상옥·하상수·이종범·윤정원·박재현¹·추용철²·이준희³·김성진⁴·정승부* 성균관대학교 신소재공학과, ¹포항산업과학연구원(RIST), ²덕산 하이메탈,

3동아대학교 신소재공학과, ⁴금오공과대학교 신소재시스템공학부

Drop reliability evaluation of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joint with OSP and ENIG surface finishes

Sang-Ok Ha, Sang-Su Ha, Jong-Bum Lee, Jeong-Won Yoon, Jai-Hyun Park¹,Yong-Chul Chu², Jun-Hee Lee³, Sung-Jin Kim⁴ and Seung-boo Jung^1*

School of Advanced Materials Science & Engineering, Sungkyunkwan University

1 Research Institute of Industrial Science & Technology, Pohang ² Duksan Hi-Metal, Ulsan

3 School of Advanced Materials Science & Engineering, Donga University

4 Department of Materials Science & Engineering, Kumoh National Institute of Technology

초 록: 전자 기기 제품들이 소형화 및 휴대화 되면서 낙하충격 신뢰성에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는

대표적인 무연솔더인Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더를 이용하여 ENIG (Electroless Nickel Iimmersion Gold), OSP (Organic Solderability Preservative) 표면 처리와 등온 시효 시험 (High Temperature Storage test)에 따른 보드 레벨 패키지 (board level package)의 낙하충격 신뢰성 (drop reliability) 시험을 수행하였다. 또한 충격 조건을 변화시켜 시편에 가해지는 가 속도 (G:acceleration)와 충격 지속 시간 (pulse duration)에 따른 신뢰성을 평가하였다. 기판의 strain측정 결과 중앙 부위 가 가장 응력이 컸으며, 충격가속도에 비례하여 응력이 증가하였다. 시효 처리 전에는 OSP처리된 기판이 다소 우수한 신 뢰성을 보였지만, 시효 처리후에는 ENIG기판에서 신뢰성이 우수하였고, 반대로 OSP는 감소하는 경향을 보였다. OSP의 경우 과도한 금속간화합물 (intermetallic compound)의 성장으로 인해 접합 계면에서 취성파괴 (brittle fracture)가 일어난 것을 관찰할 수 있었다.

Abstracts: The use of portable devices has created the need for new reliability criterion of drop impact tests because of the tendency to accidentally drop in the use of these devices. The effects of different PCB surface finishes (organic solderability preservative (OSP) and electroless nickel immersion gold (ENIG)) and high temperature storage (HTS) test on the drop reliability were studied. Various drop test conditions were used to evaluate a drop reliability of assemblies to endure such impact and shock load. In the case of the as-reflowed samples (no HTS test), the SAC/OSP boards exhibited a better drop impact reliability than that of SAC/ENIG. However, the reverse was true if HTS test is performed. In addition, significant decrease of drop reliability was observed for both SAC/ENIG and SAC/OSP assemblies after HTS test. It was also observed that the thickness of intermetallic compound layer do play an important role in the brittle fracture of drop test.

Key words: Lead-free solder, Board level drop test, solder joint reliability

1. 서 론

최근 전자전기업체는 고성능, 다기능화 및 소형경량화 라는 시대적 요구에 대응할 수 있는 고성능 마이크로프 로세서와 대용량 저장 매체를 보다 작은 공간에 집적시 키려는 노력을 기울이고 있다. 이를 가능하게 하기 위해 서는 새로운 시스템 설계 기술과 더불어 설계된 마이크 로 칩의 성능을 극대화할 수 있는 전자 패키징 기술 개발

이 필수적으로 요구된다.¹⁾이러한 전자 패키지의 경박단 소화의 요구에 따라 리드프레임(lead-frame)을 사용하는 패키지들은 기판과 솔더볼을 사용하는 패키지들로 지속 적으로 대체되고 있다.

전자패키지에서 솔더볼은 IC 패키지와 인쇄회로기판 (PCB) 사이의 전기적 및 기계적 접속(interconnection)의 역할을 수행할 뿐만 아니라, 신호를 전달하고 열 방출하 는 중요한 역할을 담당한다. 그러나 솔더링 공정 중 솔더

*Corresponding author E-mail: [email protected]

는 고온의 분위기에서 PCB 혹은 기판의 최종 금속 층과 서로 접촉하게 되고 상호 반응에 의해서 금속간화합물 (Intermetallic compound)을 형성하게 되는데, 임계두께 이 상으로 생성된 금속간화합물은 접합부의 신뢰성에 나쁜 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다.¹⁾

종래의 가전 제품은 열 응력이 접합부의 내구성에 영 향을 미쳤지만, 전자 기기 산업이 소형화, 고기능화 됨에 따라서 휴대폰, PDA (Personal Digital Assistants), PMP (Potable Multimedia Player)와 같은 휴대기기 제품들은 사 용자의 부주의에 의해서 아주 순간적인 외부 충격이나 기 판의 휨에 의한 고장이 빈번히 발생한다. 이에 따라 JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council)에서도 기계적 충격 (Mechanical Shock)과 낙하 시험에 관한 신 뢰성 시험법을 규정하고 있으며,^2-4)이에 대한 연구, 개발 이 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 낙하시험은 시 편을 충격 테이블에 고정하고 일정 높이에서 반복적으로 자유 낙하시켜 기계적인 충격을 가하는 것이다. 충격이 가해지는 시편을 전기적으로 연결하여 시편의 저항을 실 시간으로 측정함으로써 기준 수치이상의 저항이 측정될 경우 fail로 간주하게 되며, 이때의 횟수를 시편의 수명으 로 평가하는 방법이다.

본 연구에서는 대표적인 Sn-3.0Ag-0.5Cu (in wt.%) 무 연솔더를 ENIG (Electroless Ni Immersion Au)와 OSP (Organic Solderability Preservative) 표면 처리된 기판에 접 합하여 보드레벨 패키지를 구성하여 낙하 충격 시험을 실 시하였다. 또한, 등온시효처리를 실시함으로써 시효처리 와 표면처리에 따른 계면반응을 관찰하고, 낙하 충격 시 험으로 솔더 접합부의 기계적 신뢰성을 평가하였다.

2. 실험 및 해석

2.1. 시편 준비

본 실험에 사용된 기판은 OSP 처리된 기판과 Cu pad 위에 ENIG 표면처리가 되어있는 SMD (Solder Mask Defined) 타입의 FR-4 기판을 사용하였다. FR-4 기판의 pad opening size는 200 µm이고, pitch size는 800 µm이다.

기존의 JEDEC보드가 아닌 1/3사이즈로 제작된 테스트 보 드의 크기는 가로, 세로 각각 110 mm×50 mm로 제작하였 으며, 상부 기판의 크기는 10 mm×10 mm로 하였고, 채널 하나당 100개의 I/O (Input/Output)를 형성하였으며, 5개 의 채널로 모든 시편을 daisy chain으로 구성하였다.

본 실험에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 페이스트 이용하 여 스텐실 프린팅법으로 테스트 보드에 페이스트를 도포 하였으며, IR reflow machine (RF-430-M2, Japan Pulse Lab.)을 사용하여 리플로우 최고온도 (pick reflow temperature)인 260^oC에서 60초 동안 리플로우를 실시하 여 직경 300 µm의 솔더볼을 형성하였다. 솔더볼이 형성 된 상부기판과 하부 기판을 접합하기 위하여 기판을 정 렬 한 후 위와 동일한 조건으로 다시 한번 리플로우를 실

시하여 dummy 시편을 완성하였다. Fig. 1은 본 실험에서 실시한 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더의 리플로우 프로파일을 나 타낸 것이다.

2.2. 낙하충격 시험

시효처리에 따른 BGA 패키지의 낙하충격 특성 평가를 위해 등온시효 시험 후 낙하 충격 시험을 실시하였다. 등 온시효 시험은 JEDEC (JESD22-A103C) 조건의 하나인 125^oC에서 500시간 동안 시효처리를 실시하였다.⁵⁾또한, 시효처리가 끝난 각각의 시편은 LAB사의 보드레벨 drop test (SD-10) 장비를 이용하여 Table 1의 JEDEC standard A, F, B, H 조건으로 시험을 실시하였다.

시효 처리 전 (as-reflow) 시편과 500시간 시효 처리한 시편의 drop test를 실시하였으며, fail 기준은 충격시 1500Ω 이상으로 저항이 증가하면 failure난 것으로 간주 하였으며, 5번의 충격 시험 중 적어도 3번 이상 저항이 나타났을 때 fail로 결정하였다. 각 실험당 각각 5개의 시 편을 테스트한 후 각 채널 당 drop 횟수를 측정하였다. 또 한 충격시 기판에 가해지는 응력을 측정하기 위해서 strain gauge를 보드 중앙에 부착한 뒤 충격 조건 별 strain 값을 측정하였다. 낙하시험에 사용된 시험장비 및 시편 을 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 1. Reflow profile used in this study.

Fig. 2. Board level drop tester and test board.

2.3. 조직 관찰

낙하 충격 시험이 완료된 시편들의 미세구조 및 파괴 메커니즘을 관찰하기 위하여 시편을 epoxy로 마운팅 후, SiC paper로 폴리싱 (polishing) 하였다. 솔더 접합부 계면 관찰을 위하여 에칭액 (95 vol% C2H₅OH : 4 vol% HNO₃ : 1 vol% HCl)을 이용하여 에칭 (etching) 후, 주사전자현 미경 (SEM, Scanning Electron Microscope)을 이용하여 미 세 조직을 관찰하였다. 또한, 계면에 생성된 금속간화합 물의 조성분석을 위하여 EDS (Energy Dispersive Spectrometer)를 사용하여 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. Board의 strain 측정결과

낙하 조건별 시편에 가해지는 응력의 정도를 확인하기 위해 board 중앙에 strain gauge를 부착한 뒤 시험 충격 조 건별로 strain을 측정하였다. Fig. 3의 결과 값과 같이 충 격량이 클수록 시편에 가해지는 응력이 크고 불규칙한 것 을 확인할 수 있었다. 충격가속도에 따라 시험 기판은 다 른 거동을 보이고, 이에 따라 솔더 볼의 접합에 관여되는 솔더 볼의 응력발생도 영향을 받는다.^6,9,10)충격가속도가 크고 지속 시간이 짧을수록 시험 기판에 더 큰 변형이 생 기고, 이로 인하여 패키지에 장착된 솔더 볼의 접합 면에 도 큰 응력이 발생한다.

3.2. 미세구조 관찰

Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와 기판과의 리플로우 후 계면을 SEM으로 관찰한 결과, Fig. 4와 같이 양호한 접합부를 확 인할 수 있었고, 저항 측정결과 모든 시편이 전기적으로 잘 연결된 것을 확인 할 수 있었다.

솔더와 ENIG 및 OSP 기판간의 계면 반응을 관찰하기 위해 리플로우와 500시간 동안 고온 방치 시험을 한 후 의 단면 SEM 사진을 Fig. 5에 나타내었다. 리플로우후 계 면에 형성된 금속간화합물의 분석결과, ENIG 처리된 패 드의 경우 UBM (Under Bump Metallization)의 Ni과 솔더 내의 Sn이 반응하여 Ni-Sn 금속간화합물이 생성되었다.

리플로우 후에는 계면에 침상(needle type)의 금속간화 합물이 관찰되었으나, 125^oC에서 500시간 시효 처리후에 는 주로 chunky type의 금속간화합물이 생성됨을 확인할 수 있었다. EDS분석 결과 계면에서 생성된 금속간화합 물의 조성은 모두 (Ni, Cu)3Sn₄로 확인되었다.

OSP 기판의 경우에는 리플로우 후 솔더와 Cu pad 계면 에 Cu6Sn₅금속간화합물이 형성되는 것을 확인할 수 있 었으며, 500 시간 시효 처리후에는 Cu3Sn 금속간화합물 Table 1. JEDEC standard drop test conditions.

*JEDECSTANDARD 22-B104-B

Service condition Acceleration Peak(G) Pulse Durations(m/s)

H 2900 0.3

G 2000 0.4

B 1500 0.5

F 900 0.7

A 500 1.0

E 340 1.0

D 200 1.5

C 100 2.0

Fig. 3. (a) acceleration and (b) strain of test board under drop conditions.

Fig. 4. SEM images after reflow process; (a) top view, (b) and (c) cross sections of package side and (d) entire solder joint.

이 Cu6Sn5와 Cu 사이의 계면에 추가적으로 형성되었고, 또한 내부에 다수의 미세한 void가 존재하는 것을 확인 할 수 있었다.

이러한 현상은 Sn-Cu 이원계 상태도에서 Sn은 Cu6Sn₅ 와 평형상태에 있지만, Cu는 Cu6Sn₅와 평형상태에 있지 않은 것에 기인한다고 알려져 있고¹⁾, 따라서 고온방치 시 험을 하게 되면 Sn과Cu의 상호확산에 의해 Cu6Sn₅ 금속 간화합물이 생성된 후 추가적으로 Cu3Sn이 형성된다.

Cu₃Sn이 형성된 이후에도 Cu와 Sn의 상호확산은 계속 일 어나고, Cu의 확산 속도가 Sn보다 빠르기 때문에 Cu3Sn 내부에 보이드가 형성되는 것으로 알려져 있다.^7,14)

두 조건 모두 시효처리 후 계면의 금속간화합물의 두 께가 초기 리플로우 된 경우보다 증가한 것을 확인할 수 있었다.

3.3. 낙하충격 실험결과

Fig. 6은 충격가속도와 시효처리 시간에 따른 drop test 결과를 나타난 것이다. 실험 결과 모든 조건에서 각 채널 의 신뢰성 정도가 다르게 나타나는 것을 확인하였고, 중 앙의 위치한 기판이 가장자리 고정나사 부근의 기판보다 약 20%~50% 낮은 신뢰성을 보였다. 이는 기판의 위치별 낙하 충격시 받은 응력의 정도가 다른 것을 의미하며, 이 결과는 고정나사 위치에서 먼 시편일수록 더 많은 응력 을 받는 것으로 사료된다. 또한, 충격가속도 조건에 따라 신뢰성 결과도 차이를 보였으며, 이는 Fig. 3의 strain 측 정결과와 동일한 경향으로 나타났다.

즉, 충격 시 시험기판이 고정나사의 영향으로 굽힘 현상 이 발생하여 솔더볼 접합부에 영향을 주는 것으로 사료 되며, 이에 관하여 유한요소 해석 결과로 보고된 바 있다.⁸⁾ 초기 리플로우 후에는 모든 충격 조건에서 OSP 표면 처리된 기판의 경우가 ENIG 표면 처리된 기판의 경우보 다 우수한 내충격 특성을 보였다. 그러나 500시간 동안

시효처리한 후에는 ENIG 기판이 OSP 기판에 비해 우수 한 내충격 특성을 나타내었다. 그 이유는 접합계면에 임 계두께 이상의 금속간화합물은 접합부의 기계적 특성을 떨어뜨리고 크랙 전파의 경로로써 취성 (brittle) 파괴의 주 원인으로 작용하였다는 것을 의미한다.

3.4. 파단면 관찰

낙하충격 시험 후 접합부의 계면을 관찰한 결과 OSP와

ENIG 표면처리된 기판 모두 솔더와 패드의 계면에서 파

괴가 일어 난 것을 확인할 수 있었으며, Fig. 7은 900G- 0.7 ms의 조건으로 drop 시험을 한 결과이다. ENIG 기판 에서 초기 리플로우한 시편의 경우 무전해 Ni 층위의 (Ni,Cu)₃Sn₄와 Ni층 사이에 생성된 Ni-Sn-P층을 따라 파 괴가 일어나는 것을 관찰할 수 있었다.

무전해 Ni의 경우 Cu위에 도금한 상태에서는 비정질 상태로 존재한다. 그러나 리플로우 과정에서 UBM의 Ni 은 솔더의 Sn과 반응하게 되고 이로 인해 Ni(P)가 Ni3P 를 거쳐 Ni-Sn-P로 상변태가 일어나면서 부피수축이 발 생한다. ^11,12) Ni₃P층은 취약한 성질을 띄고 있으며, 본 실 험에서와 같이 내부를 통하여 크랙이 전파된 것으로 사료 된다.

Fig. 7(b)는 500시간 시효처리 후 낙하 시험한 시편으로 계면을 관찰한 결과, (Ni,Cu)3Sn4금속간화합물 사이에서 파괴가 일어난 것을 확인할 수 있었다. ENIG 기판에서 시효시간이 증가 함에 따라 솔더와 UBM의 반응으로 두 꺼워진 (Ni,Cu)3Sn₄층에서 파괴가 주로 발생되는 것을 확 인하였다.

Fig. 5. Cross-sectional SEM images before drop test (a) ENIG sample after reflow, (b) ENIG sample after aging for 500 h, (c) OSP sample after reflow and (d) OSP sample after aging for 500h.

Fig. 6. The number of drops to failure for ENIG and OSP samples at (a) 500G-1 ms (before aging), (b) 500G-1 ms (500h aging), (c) 900G-0.7 ms (before aging), (d) 900G-0.7 ms (500h aging), (e) 1500G-0.5 ms (before aging) and (f) 1500G-0.5 ms (500h aging).

Fig. 7(c)와 (d)는 낙하충격 시험 후, Sn-3.0Ag-0.5Cu와 OSP 표면처리된 기판의 계면을 나타낸 것이다. OSP기판 의 경우 시효처리 전에는 계면에 생성된 Cu6Sn₅와 Cu층 사이에서 파괴가 일어나는 것을 관찰할 수 있었으며, 500 시간 시효처리 후에는 초기 리플로우시 생성된 Cu6Sn₅층 과 Cu3Sn사이를 통해 파괴가 일어나는 것을 확인하였다.

또한 장시간 시효 처리함에 따라 생성되는 Cu3Sn층과 내 부에 Cu의 확산으로 인해 형성된 void는 낙하 충격에서 크랙 생성에 아주 민감한 부분으로 작용되며 본 실험에 서와 같이 void를 따라 취성 파괴가 일어난 것을 사료 되 어진다.

Fig. 8은 ENIG와 OSP 표면처리한 기판을 시효처리 전 과 시효처리 하였을 때의 낙하충격 시험 후 파단면을 관 찰한 top view 사진이다. ENIG 기판의 경우 초기 리플로 우 했을 때 파단면의 EDS 표면 분석결과 Ni-Sn-P가 검출 되었으며, 시효처리 후에는 금속간화합물과 P-rich층 사 이에서 취성파괴가 일어난 것을 확인하였다. 이는 단면

분석 결과와 잘 일치하였다. 또한 OSP기판의 경우 초기 리플로우 했을 때와 고온 시효처리 시편 모두 금속간화 합물을 통한 취성 파괴가 발생하였음을 파괴면 관찰결과 확인할 수 있었다.

Fig. 9는 낙하충격 시험동안 크랙의 전파 경로를 보여

주는 것으로 크랙은 바깥쪽에서 중심으로 전파되는 것을 확인하였다. 간혹 솔더 내부 또는 구리 배선층에서 크랙 이 발생하는 경우도 있었지만, 본 실험에서는 대부분 계 면만을 통해 파괴가 일어나는 전형적인 취성 파괴만 관 찰 되었다. 본 실험을 통하여 솔더접합부 계면에 생성된 금속간화합물 및 계면 제어가 충격 시험 신뢰성 향상에 큰 영향을 주는 것으로 사료된다.^13-15)

4. 결 론

본 연구에서는 Sn-3.0Ag-0.5Cu 조성을 가지는 솔더 페 이스트 사용하여 직경 300 µm의 솔더볼의 구현하였으며, 표면 처리, 시효시간을 각각 달리하여 낙하 충격 시험을 실시한 후, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

(1) ENIG 기판에서는 계면에 (Ni,Cu)3Sn4 금속간화합물 이 형성 되었음을 확인할 수 있었으며, OSP 기판의 경우 에는 초기에는 Cu6Sn₅가 형성 되지만 시효 처리 후에는 Cu₃Sn 금속간화합물이 추가로 형성되는 것을 확인하였다.

(2) 초기 접합 후에는 OSP 표면 처리된 기판이 ENIG 처리된 기판 보다 우수한 drop 특성을 나타낸 반면, 시효 처리 후에는 ENIG 시편이 더 우수한 신뢰성을 가짐을 확 인 할 수 있었다.

(3) 기판의 가장 중앙이 다른 위치보다 충격 시 더 많은 응력을 받으며, 고정 나사 부위의 시편보다 20~50%의 낮 은 신뢰성을 보였다.

(4) ENIG/OSP 기판 모두 낙하충격 시험 후 계면의 금 속간화합물 층에서 fail이 발생하였으며, 이로 미루어보 아 솔더접합부의 계면이 drop 특성에 가장 취약하다는 것 을 알 수 있었다. 본 실험을 통해, 충격시험 신뢰성 향상 을 위해서는 솔더접합부 계면에 생성된 금속간화합물 및 계면 제어가 필요할 것으로 사료된다.

감사의 글

본 연구는 지식경제부 표준화 기술개발사업의 지원으 Fig. 7. Cross-sectional images after drop test at 900G-0.7 ms; (a),

(c) after reflow and (b), (d) after aging at 125^oC for 500h.

Fig. 8. Fracture surfaces after drop test; (a) ENIG sample before aging, (b) ENIG sample after aging, (c) OSP sample before aging, and (d) OSP sample after aging.

Fig. 9. Crack propagation during drop test: (a) OSP and (b) ENIG.

로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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