니켈/팔라듐/골드로 도금된 반도체 패키징의 신뢰성 향상에 관한 연구 = (A) study of semiconductor packaging reliability in Ni/Pd/Au-Ag alloy plated strip

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The major issues in recent semiconductor packaging is to make 'highly reliable and environmental friendly semiconductor package'. Especially the demand of Cu based leadframe package which has low cost solution and higher thermal performance is increasing rapidly. So the study on highly reliable and environmental friendly semiconductor package is widely performing in many organizations, companies and countries around the world. The severity of package delamination has been stand for packaging reliability but there are still problems to be solved. Regarding to the environmental friendly semiconductor package, a lot of restrictions and regulations are already taken effect and/or waiting for the enforcement to restrict the use of hazardous substances in human body and environment. The RoHS (Restriction of Hazardous Substance) is one of the key regulations by restricting 6-kinds of hazardous substances like as Mercury, Cadminum, Hexavalent chromium, Polybrominated diphenyls (PBBs), Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) and Lead. The lead is one of most widely used substances in semiconductor packaging to plated the Cu surfaces and to do board mounting. So the restriction of lead can change packaging assembly process conditions and also be a motivation to find out another materials to make environment friendly package.In this study, the reliability of semiconductor packaging was evaluated by using QFN (Quad Flat No-lead) package which were assembled with different surface plating schemes. Ag plated strip on Cu based material and Ni/Pd/Au-Ag alloy plated strip on Cu based material were used in QFN package assembly. Before the assembly, surface analysis was conducted to analysis the surface morphology by using SEM and TEM method. In surface analysis, 50 hours and 100 hours bake test was also conducted at 200'C to evaluated the change of surface morphology in high temperature. After the QFN package assembly, MSL (Moisture Sensitivity Level) was evaluated with SAM (Scanning Acoustic Microscopy) method and JEDEC's MSL guidance. The contact angle test was also performed to see the relation of contact angle and MSL performance.

국문 초록 (Abstract)

최근 반도체 패키징에 있어 가장 큰 관심사는 바로 패키징의 신뢰성 향상과 친환경 패키지의 개발이다. 특히 저렴한 비용과 우수한 열 방출 효과를 가지고 있는 리드프레임(Leadframe)을 사용한 반도체 패키지는 그 수요가 날로 증대하고 있다. 그러나 신뢰성 향상과 친환경 패키지의 개발이라는 두 가지의 중요 문제는 아직도 해결해야 할 과제가 많이 남아있는 것이 현실이다. 패키지의 Delamination은 그 신뢰성을 대변할 정도로 보편화 되어 있으나 고객이 요구하는 신뢰성을 맞추기에는 아직도 많은 연구를 필요로 하고 있으며 또한 친환경 패키지와 관련하여 최근엔 환경 및 인체에 유해한 물질의 사용을 규제하는 각종 법안 및 규제가 잇따르고 있다. 이중 유럽에서 시행중인 RoHS (Restriction of Hazardous Substance)가 그 중 대표적인 조항이라 할 수 있으며 또한 반도체 업계 내에서도 자체적으로 환경 및 인체에 유해한 물질의 사용을 줄이기 위한 자체적인 정화활동을 강화하고 있는 추세이다. 이러한 추세에 발맞춰 반도체 업계는 물론 많은 관련 연구단체에서는 기존에 널리 사용되어 왔던 물질을 대체하기 위한 각종 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.본 연구에서는 니켈/팔라듐/금을 이용하여 선도금한 리드프레임 패키지의 신뢰성을 평가하고자 기존에 사용되어 왔던 은(Ag)으로 선도금한 후 조립후 주석(Sn)으로 후 도금한 반도체 패키지와 비교 평가를 실시하고자 하였으며 각 리드프레임의 표면을 분석하여 이 원리를 이해하고자 하였다. 이를 위해 리드프레임 패키지(Package)중 최근 가장 많이 사용되고 있는 Metal CSP (Chip Scale Package)의 일종인 QFN (Quad Flat No-lead) 패키지를 사용하였으며 신뢰성 평가에 일반적으로 많이 사용되는 MSL (Moisture Sensitivity Level) 방법을 이용하여 이를 측정 / 평가 하였다. MSL 측정에는 SAM (Scanning Acoustic Microscope)을 이용하여 Delamination을 측정하였으며, 리드프레임의 표면을 분석하여 기계적 구조가 반도체 패키지의 신뢰성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.표면 분석을 위해 SEM 장비와 협력업체의 도움을 얻어 AES (Auger Electron Spectroscopy)와 TEM 분석을 실시하였으며 200‘C에서 bake test를 통해 50시간과 100시간이 흐른 후의 표면을 분석하였다. 또한 contact angle test를 통해 표면의 surface energy와 MSL의 상관관계를 파악하고자 하였다.실험결과 Ni/Pd/Au-Ag 합금을 사용하여 평가한 샘플에서 Ag 도금을 사용한 샘플보다 우수한 MSL 평가 결과를 얻었으며 Ag 도금을 사용한 샘플에서는 Cu 표면보다는 모두 Ag면에서 delamination이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Ni/Pd/Au-Ag로 도금시 표면처리를 미세하면서도 rough하게 하여 EMC와 맞닿는 계면의 면적을 높이는 것이 주요 인자로 작용한 것을 알 수 있었으며 패키징에 사용된 몰드컴파운드와 에폭시 수지가 delamination에 미치는 인자는 상대적으로 작은 것을 확인할 수 있었다. 또한 10nm 내외로 도금된 Pd 층과 4~10nm로 도금된 Au-Ag 도금층이 260‘C의 reflow조건에서도 계면의 층이 파괴되지 않아 Cu의 diffusion을 발생시키지 않아 계면의 산화를 방지하여 계면간의 접합력이 약해지지 않은 현상을 확인 할 수 있었다. 이는 200'c bake test에서도 확인되었는데 50시간과 100시간이 경과한 Ag 표면과 Cu 표면은 산화막이 형성되고 표면의 입자크기가 커지는 반면 Ni/Pd/Au-Ag alloy 표면은 큰 손상없이 원래의 형상을 그대로 유지하는 것을 확인할 수 있었다.Contact angle test 결과, Ni/Pd/Au-Ag alloy의 표면에 측정된 값이 Ag 표면이나 Cu 표면에서 측정된 값보다 상대적으로 크게 측정되었으며 이는 Surface roughness가 상대적으로 큼에도 불구하고 재료의 특성상 작은 surface energy를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이로 인해 칩을 붙이는 에폭시 수지의 Bleed out 현상을 줄일 수 있었으며 이는 패키지의 신뢰성 향상에 많은 도움을 준 것으로 확인되었다.