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미세피치 패키지 적용을 위한 thin ENEPIG 도금층의 솔더링 특성
백종훈,이병석,유세훈,한덕곤,정승부,윤정원,Back, Jong-Hoon,Lee, Byung-Suk,Yoo, Sehoon,Han, Deok-Gon,Jung, Seung-Boo,Yoon, Jeong-Won 한국마이크로전자및패키징학회 2017 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.24 No.1
본 연구에서는 미세피치 패키지 적용을 위한 기초 실험으로 thin ENEPIG(Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold) 도금층을 형성하여 솔더링 특성을 평가하였다. 먼저, Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) 솔더합금에 대한 thin ENEPIG 도금층의 젖음 특성이 평가되었으며, 순차적인 솔더와의 반응에 대한 계면반응 및 솔더볼 접합 후 고속 전단 시험을 통한 접합부 기계적 신뢰성이 평가되었다. 젖음성 시험에서 침지 시간이 증가함에 따라 최대 젖음력은 증가하였으며, 5초의 침지 시간 이후에는 최대 젖음력이 일정하게 유지되었다. 초기 계면 반응 동안에는 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 금속간화합물과 P-rich Ni 층이 SAC305/ENEPIG 계면에서 관찰되었다. 연장된 계면반응 후에는 P-rich Ni 층이 파괴 되었으며, 파괴된 P-rich Ni 층 아래에는 $(Cu,Ni)_3Sn$ 금속간화합물이 생성되었다. 고속 전단 시험의 경우, 전단속도가 증가함에 따라 취성 파괴율이 증가하였다. In this paper, we evaluated the solderability of thin electroless nickel-electroless palladium-immersion gold (ENEPIG) plating layer for fine-pitch package applications. Firstly, the wetting behavior, interfacial reactions, and mechanical reliability of a Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) solder alloy on a thin ENEPIG coated substrate were evaluated. In the wetting test, maximum wetting force increased with increasing immersion time, and the wetting force remained a constant value after 5 s immersion time. In the initial soldering reaction, $(Cu,Ni)_6Sn_5$ intermetallic compound (IMC) and P-rich Ni layer formed at the SAC305/ENEPIG interface. After a prolonged reaction, the P-rich Ni layer was destroyed, and $(Cu,Ni)_3Sn$ IMC formed underneath the destroyed P-rich Ni layer. In the high-speed shear test, the percentage of brittle fracture increased with increasing shear speed.
미세피치 플립칩 열압착 접합용 초박형 Ni-free 표면처리와 Cu/SnAg 기둥범프의 접합 계면 연구
이태영,전소연,신재호,한덕곤,김영호,유세훈 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5
모바일용 반도체 소자는 경박 단소화 및 고성능의 요구로 I/O 수가 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 범프 피치는 50 ㎛ 이하로 미세화되고 있으며, 범프와 연결되는 표면처리에서도 미세피치를 위한 대응이 필요하다. 기존에 사용하는 기판 표면처리로써 좋은 신뢰성 때문에 eleldtrless nickel immersion gold(ENIG)와 electroless nickel electroless palladium immersion gold(ENEPIG)가 많이 사용되어 왔다. 하지만 확산 방지 역할을 하는 5 ㎛ 이상의 Ni(P) 도금층 때문에 미세 피치 대응이 어렵다. 이를 대체하기 위해 Ni(P) 도금층이 없는 초박형 Ni-free 표면처리로 electroless palladium immersion gold(EPIG)와 direct electroless gold(DEG)에 대한 신뢰성 연구가 활발히 이루어지고 있지만 아직까지 마이크로 범프, 계면반응 및 신뢰성에 대한 연구가 부족하다. 따라서, 본 연구에서는 미세피치 플립칩 접합부 계면을 관찰하고, 신뢰성에 끼칠 수 있는 영향을 알아보고자 하였다. 50 ㎛ 피치, 직경 30 ㎛를 갖는 Cu/Sn3.5Ag pillar bump를 형성하고 EPIG 및 DEG 표면처리와 접합부를 형성하였다. 이어서 150℃에서 400시간 동안 시효처리 후 계면을 관찰하였다. EPIG 경우, 솔더 내부 쪽에서는 (Pd,Cu)Sn4, Cu pad쪽에서는 (Cu,Pd)6Sn5상이 형성었다. 또한 Pd 도금층이 증가할수록 초기 IMC생성 두께가 감소하였다. DEG 경우, 확산방지층이 없어 3 ㎛ 이상의 두꺼운 Cu6Sn5층이 형성되는 것을 확인하였다. 시효처리 400 시간 이후에는 EPIG와 DEG 두 표면처리 모두 큰 성장률을 보였으며, 특히 DEG 경우 8 ㎛까지 IMC가 크게 성장하였다. 이와 같은 결과를 바탕으로 Cu/Sn3.5Ag pillar bump와 초박막 Ni-free 표면처리 사이에 발생되는 계면 반응이 패키지 신뢰성에 미치는 영향에 대해 논의할 것이다.
반도체 패키지 기판용 Ni-less 표면처리 기술 개발동향
조민교,조진기,김경민,김성용,한덕곤,성태현 한국마이크로전자및패키징학회 2023 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.30 No.1
Recently, System in Packaging(SIP) technology needs to meet high frequency (5G and more) communication technology and fine pitch surface treatment. The conventional Electroless Ni/Immersion Au plating(ENIG) is not suitable for high frequency range because of magnetic properties are increasing the transmission loss. Without nickel plating layer, the pattern and pad reliability level must be meet the condition. In this review paper, we investigated research trends on Ni-less surface treatment technology for high-frequency communication and frequency characteristics according to materials. 최근 SIP (System in Packaging) 기술은 고주파(5G 이상) 통신 및 미세 피치 회로 특성을 만족해야 한다. 기존ENIG (Electroless Ni/Immersion Au Plating) 표면처리는 전송 손실이 증가하여 고주파에 적합하지 않으므로, 니켈 도금층이 없어도 패턴 및 패드의 신뢰성 수준을 만족시킬 수 있는 표면 처리 기술이 검토되고 있다. 본 논문에서는 고주파 통신 대응을 위한 Ni-less 표면처리기술과 소재에 따른 주파수 특성 등에 대한 연구 동향을 조사하였다.
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.
미세피치용 EPIG/DEG 표면처리와 플립칩 접합 계면에서의 NCA 필러트랩 연구
전소연,이태영,유준혁,한덕곤,유세훈 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5
최근 전자 패키징 기술은 IoT, high-performance computing 및 모바일 전자기기 등 반도체 개발로 인해 소형화 및 고성능이 요구되어 있다. 이에 따라 플립칩 범프 I/O 수는 증가하고, 범프 피치는 감소하고 있다. 기존에 칩과 기판을 접합하기 위해 사용하던 재료 들은 미세화 되는 범프피치를 대응하기 위해 대체되어야 한다. 접합재료로써 언더필의 경우 non-conductive adhesive(NCA)로, 표면처리로는 electroless nickel electroless palladium immersion gold(ENPIG)에서 Ni-free인 electroless palladium immersion gold(EPIG)와 direct electroless gold(DEG)로 대체되어야 한다. 여기서 NCA를 사용하는 플립칩 접합공정은 표면처리의 거칠기에 따라 플립칩 접합부 전기적 특성에 영향을 주는 요소이며, 새롭게 적용되는 EPIG 및 DEG의 거칠기에 따른 필러 트랩 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 ENEPIG, EPIG 및 DEG 표면처리에 따른 거칠기 변화를 관찰하였으며, 이를 바탕으로 NCA 필러 트랩에 대한 평가를 수행하였다. ENEPIG의 경우, EPIG와 DEG 표면처리보다 다소 낮은 거칠기를 나타냈다. 이는 5 ㎛ 이상의 두꺼운 Ni 도금층으로 인해 기존에 에칭된 Cu 표면 거칠기를 감소시킴으로써 ENEPIG의 표면거칠기 또한 감소하였지만, 범프의 미세 피치는 줄일 수 없는 문제점이 있다. 그러나 EPIG의 경우, Pd 도금층 두께를 0.2 ㎛까지 증가시킴으로써 기존에 에칭된 Cu 표면 거칠기를 효과적으로 감소시키는 것을 확인할 수 있었다. 이렇게 감소된 거칠기는 NCA 및 필러 트랩을 줄일 수 있으며, 접합부의 접촉저항 또한 감소시키는 효과를 나타냈다. 비록 EPIG와 DEG 표면처리에 따른 표면 거칠기는 ENEPIG 보다 다소 높을지라도, ENEPIG에서 해결할 수 없는 문제점을 보완할 수 있다. 위와 같은 결과를 바탕으로 표면처리에 따른 플립칩 접합부 신뢰성에 끼치는 영향에 대해서도 논의할 것이다.