계면 화학반응과 무전해 니켈 금속층에서 나타나는 취성파괴와의 연관성에 관한 연구

손윤철,유진,Sohn Yoon-Chul,Yu Jin 한국마이크로전자및패키징학회 2005 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.12 No.1

무전해 Ni(P)과 솔더와의 반응 중 발견되는 취성파괴 현상과 계면 화학반응시의 금속간화합물 spalling과의 연관성을 전단 파괴실험을 통하여 체계적으로 연구하였다. 취성파괴는 무전해 Ni(P)과 Sn-3.5Ag 솔더와의 반응 후에만 나타났고 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와의 반응시에는 연성파괴만이 관찰되었다. Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더와의 반응시 $(Ni,Cu)_3Sn_4$와 $(Cu,Ni)_6Sn_5$의 삼성분계 금속간화합물이 생성되었고 spatting은 발생하지 않았다. 반면, Sn-3.5Ag 솔더와의 반응시에는 $Ni_3Sn_4$ 금속간화합물이 spatting된 솔더패드에서 취성파괴가 발생하였다. 파괴표면을 면밀히 분석한 결과 취성파괴는 $Ni_3Sn_4$ 금속간화합물과 Ni(P) 금속층 사이에 형성된 $Ni_3SnP$ 층에서 발생하는 것을 알 수 있었다. $Ni_3SnP$ 금속간화합물 층은 $Ni_3Sn_4$ 금속간화합물이 spatting되는 과정 중에 두껍게 성장하므로 무진해 Ni(P) 사용시 기계적 신뢰성을 보장하기 위해서는 금속간화합물의 spatting을 방지하는 것이 매우 중요하다. A systematic investigation of shear testing was conducted to find a relationship between Ni-Sn intermetallic spatting and the brittle fracture observed in electroless Ni(P)/solder interconnection. Brittle fracture was found in the solder joints made of Sn-3.5Ag, while only ductile fracture was observed in a Cu-containing solder (Sn-3.0Ag-0.5Cu). For Sn-3.0Ag-0.5Cu joints, $(Ni,Cu)_3Sn_4$ and/or $(Cu,Ni)_6Sn_5$ compound were formed at the interface without spatting from the Ni(P) film. For Sn-3.5Ag, $Ni_3Sn_4$ compound was formed and brittle fracture occurred in solder pads where $Ni_3Sn_4$ had spalled. From the analysis of fractured surfaces, it was found that the brittle fracture occurs through the $Ni_3SnP$ layer formed between $Ni_3Sn_4$ intermetallic layer and the Ni(P) film. Since the $Ni_3SnP$ layer is getting thicker during/ after $Ni_3Sn_4$ spatting, suppression of $Ni_3Sn_4$ spatting is crucial to ensure the reliability of Ni(P)/solder system.

무전해 Ni(P)과 무연솔더와의 반응 중 금속간화합물의 spalling 현상에 관한 연구

손윤철,유진한,강성권,이택영,Sohn Yoon-Chul,Yu Jin,Kang S. K.,Shih D. Y,,Lee Taek-Yeong 한국마이크로전자및패키징학회 2004 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.11 No.3

무전해 Ni(P)는 솔더링 특성과 부식저항성이 우수하고 표면 거칠기가 적으며 원하는 금속 상에 선택적으로 도금이 가능하여 전자패키지에서 반도체칩과 기판의 표면 금속층으로 촉 넓게 사용되고 있다. 그러나 솔더와의 반응 중 금속간 화합물의 spalling과 솔더 조인트에서의 취성파괴 문제가 성공적인 적용의 걸림돌이 되어 왔다. 본 연구에서는 각각 조성이 다른 세가지 Ni(P)막 (4.6,9, and $13 wt.\%$ P)을 사용하곡 솔더와의 반응시 무전해 Ni(P)막의 미세구조 및 상 변화와 금속간화합물의 spatting 거동을 면밀히 조사하였다. $Ni_3Sn_4$ 화합물 아래로 침투한 Sn과 P-rich layer ($Ni_3P$)와의 반응에 의해 $Ni_3SnP$ 층이 형성되며 $Ni_3SnP$ 층이 성장함에 따라 $Ni_3Sn_4$가 spalling됨이 관찰되었다. Spalling 후에는 Ni(P)막이 용융된 솔더와 직접 접촉하게 되어 Ni(P)막의 결정화가 가속화되고 $Ni_3P$상이 $Ni_2P$상으로 변태되었다. 또한 이러한 결정화 과정 중 Ni(P)막의 부피가 감소됨에 따라서 인장응력이 발생하여 막 내부에 크랙이 발생하였다. Electroless Ni(P) has been widely used for under bump metallization (UBM) of flip chip and surface finish layer in microelectronic packaging because of its excellent solderability, corrosion resistance, uniformity, selective deposition without photo-lithography, and also good diffusion barrier. However, the brittle fracture at solder joints and the spatting of intermetallic compound (IMC) associated with electroless Ni(P) are critical issues for its successful applications. In the present study, the mechanism of IMC spatting and microstructure change of the Ni(P) film were investigated with varying P content in the Ni(P) film (4.6,9, and $13 wt.\%$P). A reaction between Sn penetrated through the channels among $Ni_3Sn_4$ IMCs and the P-rich layer ($Ni_3P$) of the Ni(P) film formed a $Ni_3SnP$ layer. Thickening of the $Ni_3SnP$ layer led to $Ni_3Sn_4$ spatting. After $Ni_3Sn_4$ spatting, the Ni(P) film directly contacted the molten solder and the $Ni_3P$ phase further transformed into a $Ni_2P$ phase. During the crystallization process, some cracks formed in the Ni(P) film to release tensile stress accumulated from volume shrinkage of the film.

Fan-out wafer-level packaging (FOWLP) 기술 동향

손윤철,Son, Yun-Cheol 한국전기전자재료학회 2021 전기전자재료 Vol.34 No.2

갈륨과 Cu/Au 금속층과의 계면반응 연구

배준혁,손윤철 한국마이크로전자및패키징학회 2022 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.29 No.2

In this study, a reaction study between Ga, which has recently been spotlighted as a low-temperature bonding material, and Cu, a representative electrode material, was conducted to investigate information necessary for lowtemperature soldering applications. Interfacial reaction and intermetallic compound (IMC) growth were observed and analyzed by reacting Ga and Cu/Au substrates in the temperature range of 80-200oC. The main IMC growing at the reaction interface was CuGa2 phase, and AuGa2 IMC with small particle sizes was formed on the upper part and Cu9Ga4 IMC with a thin band shape on the lower part of the CuGa2 layer. CuGa2 particles showed a scallop shape, and the particle size increased without significant shape change as the reaction time increased, similar to the case of Cu6Sn5 growth. As a result of analyzing the CuGa2 growth mechanism, the time exponent was calculated to be ~3.0 in the temperature range of 120-200oC, and the activation energy was measured to be 17.7 kJ/mol. 본 연구에서는 최근 저온접합 소재로 각광받고 있는 Ga과 대표적인 전극 물질인 Cu와의 반응연구를 실시하여 저온 솔더링 적용시 필요한 정보들을 확인하고자 하였다. 80-200oC 온도범위에서 Ga과 Cu/Au 기판을 반응시켜 계면반응 및 금속간화합물(IMC) 성장을 관찰하고 분석하였다. 반응계면에서 성장하는 주요한 IMC는 CuGa2 상이었으며 그상부에는 작은 입자크기를 가지는 AuGa2 IMC 그리고 하부에는 얇은 띠 형상의 Cu9Ga4 IMC가 형성되었다. CuGa2 입자들은 scallop 형상을 보이며 Cu6Sn5 성장의 경우와 비슷하게 반응시간이 증가함에 따라서 큰 형상변화없이 입자 크기가 증가하였다. CuGa2 성장기구를 분석한 결과 120-200oC 온도범위에서 시간지수는 약 3.0으로 산출되었고, 활성화에너지는 17.7 kJ/mol로 측정되었다.

갈륨 및 갈륨 합금을 이용한 저온접합 기술 동향

홍태영,손윤철,심호률 한국마이크로전자및패키징학회 2022 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.29 No.2

Recently, as flexible electronic device-related technologies have received worldwide attention, the development of wiring and bonding technologies using liquid metals is required in order to improve problems such as formability in the manufacturing process of flexible devices and performance and durability in the bending state. In response to these needs, various studies are being conducted to use gallium and gallium-based alloys (eutectic Ga-In and eutectic Ga-In-Sn, etc.) liquid metals, with low viscosity and excellent electrical conductivity without toxicity, as lowtemperature bonding materials. In this paper, the latest research trends of low-temperature bonding technology using gallium and gallium-based alloys are summarized and introduced. These technologies are expected to become important base technologies for practical use in the fields of manufacturing flexible electronic devices and low-temperature bonding in microelectronic packages in the future. 최근 세계적으로 유연 전자소자 관련 기술들이 주목을 받으면서 유연소자 제작 과정에서의 성형성 및 굽힘 상태에서의 성능과 내구성 등의 문제점을 개선하기 위하여 액체 금속을 사용한 배선·접합 기술들의 개발이 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하여 독성이 없으면서 낮은 점도와 우수한 전기전도도를 가지는 갈륨 및 갈륨계 합금 (공정 갈륨-인듐 및 공정 갈륨-인듐-주석 등)의 액체금속을 저온 접합소재로 이용하려는 다양한 연구들이 이루어지고 있다. 본 논문에서는 갈륨 및 갈륨계 합금을 이용한 저온접합 기술의 최신 연구동향을 정리하여 소개하고자 한다. 이러한 기술들은 향후 유연 전자소자의 제조 및 전자패키지에서의 저온접합 등의 분야에서 실용화를 위한 중요한 기반기술이 될 것으로 예상된다.

Tin Pest 방지 솔더합금의 크리프 특성

김성범,유진,손윤철,Kim S. B.,Yu Jin,Sohn Y. C. 한국마이크로전자및패키징학회 2005 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.12 No.1

전세계 전자패키지 산업에서 납(Pb) 사용에 대한 환경규제 움직임이 본격화되고 있어 새로운 무연솔더의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 게다가 무연솔더의 신뢰성에 대한정보가 아직까지 많이 부족한 실정이다 무연솔더의 신뢰성에 영향을 줄수 있는 것 중의 하나가 Sn pest라고 알려진 동소체 변태이다. Sn pest가 형성될 때 동반되는 부피의 증가는 솔더 조인트의 신뢰성을 저하시킨다. 이미 보고된 바에 따르면, Sn 고용도가 있는 원소(Pb, Bi, Sb)들을 첨가시킬 경우 Sn pest가 효과적으로 억제된다. 그러나 Sn pest를 억제하는 합금에 대한 기계적인 특성에 연구가 거의 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 Sn과 Sn-0.7Cu를 기반으로 하여 Bi, Sb을 첨가한 솔더 합금을 사용하여 lap shear크리프 실험을 하였다. 본 연구에서 사용한 합금들의 변형율은 전체적으로 Sn-3.5Ag를 기반으로 하는 합금들보다 높았다. 파괴까지 이르는 변형량은 Sn-0.5Bi가 가장 크고 Sn-0.7Cu-0.5Sb 합금이 가장 작았는데 이러한 경향은 Sn-0.5Bi 합금의 파단면에 Sn globules이 길게 늘어나 있고 Sn-0.7Cu-0.5Sb 합금에서는 더 짧은 Sn globules 이 관찰되는 결과와 일치하였다. Worldwide movement for prohibition of Pb usage drives imminent implementation of Pb-free solders in microelectronic packaging industry. Reliability information of Pb-free solders has not been completely constructed yet. One of the potential reliability concerns of Pb-free solders is allotropic transformation of Sn known as tin pest. Volume increase during the formation of tin pest could deteriorate the reliability of solder joints. It was also reported that the addition of soluble elements (i.e. Pb, Bi, and Sb) into Sn can effectively suppress the tin pest. However, the mechanical properties of the tin pest resistant alloys have not been studied in detail. In this study, lap shear creep test was conducted with Sn and Sn-0.7Cu based solder alloys doped with minor amount of Bi or Sb. Shear strain rates of the alloy were generally higher than those of Sn-3.5Ag based alloys. Rupture strains and corresponding Monkman- Grant products were largest for Sn-0.5Bi alloy and smallest for Sn-0.7Cu-0.5Sb alloy. Rupture surface Sn-0.5Bi alloy showed highly elongated $\beta$-Sn globules necked to rupture by shear stresses, while elongation of $\beta$-Sn globules of Sn-0.7Cu-0.5Sb alloy was relatively smaller.

레이저 프린터용 고속 발열 저전력 특성을 갖는 튜브형 탄소나노튜브 복합재료 히터 개발

이상의(S. E. Lee),손윤철(Y. C. Son) Korean Society for Precision Engineering 2018 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2018 No.10월

Ru Nanoparticle이 첨가된 Sn-58Bi 솔더의 기계적 신뢰성 및 계면반응에 관한 연구

김병우,최혁기,전혜원,이도영,손윤철,Kim, Byungwoo,Choi, Hyeokgi,Jeon, Hyewon,Lee, Doyeong,Sohn, Yoonchul 한국마이크로전자및패키징학회 2021 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.28 No.2

대표적인 저온솔더인 Sn-58Bi에 Ru nanoparticles을 첨가하여 Sn-58Bi-xRu 복합솔더를 제작하고 Cu/OSP 및 ENIG 표면처리된 PCB 기판과 반응시켜 계면반응 및 솔더조인트 신뢰성을 분석하였다. Cu/OSP와의 반응에서 형성된 Cu₆Sn₅ IMC는 Ru 함량에 따른 두께 변화가 거의 없고 100hr aging 후에도 큰 변화없이 고속 전단시험시 솔더 내부로 연성파괴가 발생하였다. ENIG 와의 반응시에는 Ru 함량이 증가함에 따라서 Ni₃Sn₄ IMC 두께가 감소하는 경향을 보였으며 일부 시편에서 ENIG 특유의 취성파괴 현상이 발견되었다. Ru 원소는 계면 부근에서 발견되지 않아서 계면반응에 크게 관여하지 않는 것으로 판단되며 주로 Bi phase와 함께 존재하는 것으로 분석되고 있는데 어떠한 형태로 두 원소가 공존하고 있는지에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다. Sn-58Bi-xRu composite solders were prepared by adding Ru nanoparticles to Sn-58Bi, a typical low-temperature solder, and the interfacial reaction and solder joint reliability were analyzed by reacting with Cu/OSP and ENIG surface treated PCB boards. The Cu₆Sn₅ IMC formed by the reaction with Cu/OSP had little change in thickness depending on the Ru content, and ductile fracture occurred inside the solder during the high-speed shear test without any significant change even after 100 hr aging. In reaction with ENIG, the Ni₃Sn₄ IMC thickness tended to decrease as the Ru content increased, and ENIG-specific brittle fracture was found in some specimens. Since Ru element is not found near the interface, it is judged not to be significantly involved in the interfacial reaction, and it is analyzed that it mainly exists together with the Bi phase.

전기자동차용 파워모듈 적용을 위한 Sn-Ag-Fe TLP (Transient Liquid Phase) 접합에 관한 연구

김병우,고혜리,천경영,고용호,손윤철 한국마이크로전자및패키징학회 2023 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.30 No.4

In this study, Sn-3.5Ag-15.0Fe composite solder was manufactured and applied to TLP bonding to change the entire joint into a Sn-Fe IMC(intermetallic compound), thereby applying it as a high-temperature solder. The FeSn2 IMC formed during the bonding process has a high melting point of 513℃, so it can be stably applied to power modules for power semiconductors where the temperature rises up to 280℃ during use. As a result of applying ENIG surface treatment to both the chip and substrate, a multi-layer IMC structure of Ni3Sn4/FeSn2/Ni3Sn4 was formed at the joint. During the shear test, the fracture path showed that cracks developed at the Ni3Sn4/FeSn2 interface and then propagated into FeSn2. After 2hours of the TLP joining process, a shear strength of over 30 MPa was obtained, and in particular, there was no decrease in strength at all even in a shear test at 200°C. The results of this study can be expected to lead to materials and processes that can be applied to power modules for electric vehicles, which are being actively researched recently. 무연솔더에 Fe 입자를 첨가하여 Cu3Sn 금속간화합물 성장을 억제하고 취성파괴를 방지하는 연구는 보고된 바있으나 이러한 복합솔더를 TLP(transient liquid phase) 본딩에 적용한 경우는 아직 없다. 본 연구에서는 Sn계 무연솔더 내부에 Fe 입자의 함량을 적절히 조절하여 Sn-3.5Ag-15.0Fe 복합솔더를 제작하고 TLP 본딩에 적용하여 접합부 전체를 Sn- Fe 금속간화합물로 변화시킴으로써 고온 솔더로서의 적용 가능성을 탐색하였다. 접합공정 중에 형성되는 FeSn2 금속간화합물은 513℃의 고융점을 가지므로 사용 중 온도가 280℃까지 상승하는 전력반도체용 파워모듈에 안정적으로 적용이 가능하다. 칩과 기판에 ENIG(electroless nickel-immersion gold) 표면처리를 적용한 결과 접합부에 Ni3Sn4/FeSn2/Ni3Sn4의 다층 금속간화합물 구조를 형성하였으며 전단시험시 파괴경로는 Ni3Sn4/FeSn2 계면에서 균열이 진전하다가 FeSn2 내부로 전파되는 양상을 보였다. TLP 접합공정 2시간 이후에는 30MPa 이상의 전단강도를 얻었고 특히 200℃ 전단시험에서도 강도 저하가 전혀 없었다. 본 연구결과는 최근 활발히 연구되고 있는 전기자동차용 파워모듈에 적용할 수 있는 소재 및 공정으로 기대할 수 있다.