PCB 표면처리에 따른 Sn-3.0Ag-0.5Cu 무연솔더 접합부의 in-situ 금속간 화합물 성장 및 Electromigration 특성 분석

Effects of PCB Surface Finishes on in-situ Intermetallics Growth and Electromigration Characteristics of Sn-3.0Ag-0.5Cu Pb-free Solder Joints

인쇄회로기판 솔더 상부 및 하부 접합부의 서로 다른 표면처리 조건에 따른 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) 접합부의 열처리 및 전류 인가에 따른 금속간 화합물 성장거동을 비교하기 위하여 in-situ 미세구조분석 및 electromigration (EM) 수명평가를 실시하였다. 솔더 접합 직후, 상부 접합부의 electroless nickel immersion gold (ENIG) 표면처리에서는 (Cu,Ni)₆Sn₅, 하부 접합부의 organic solderability preservative (OSP) 표면처리에서는 Cu₆Sn₅, Cu₃Sn 금속간 화합물이 접합 계면에서 생성되었다. EM 수명평가 결과 온도 130℃, 전류밀도 5.0×10³A/㎠ 하에서 평균파괴시간이 약 78.7 hrs으로 도출되었고, 하부 OSP 표면처리에서 전자가 솔더로 빠져나가는 부분에서 Cu의 소모에 의한 단락이 주 손상기구로 확인되었다. In-situ 주사전자현미경을 통해 계면 미세구조 분석 결과 상부 접합부 ENIG 표면처리에서 전자의 방향에 따른 미세구조의 큰 차이가 없고 뚜렷한 손상이 관찰되지 않았으나, 하부 접합부 OSP 표면처리의 경우 전자가 솔더로 유입되는 부분에서 빠른 Cu 소모로 인한 보이드 성장이 관찰되었다. 따라서, SAC305무연솔더 접합부에서 ENIG 표면처리가 OSP 표면처리보다 보다 우수한 EM확산방지막 역할을 하여 금속간 화합물 성장을 억제하고 보다 우수한 EM 신뢰성을 보이는 것으로 판단된다.

The effects of electroless nickel immersion gold (ENIG) and organic solderability preservative (OSP) surface finishes on the in-situ intermetallics reaction and the electromigration (EM) reliability of Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) solder bump were systematically investigated. After as-bonded, (Cu,Ni)₆Sn₅ intermetallic compound (IMC) was formed at the interface of the ENIG surface finish at solder top side, while at the OSP surface finish at solder bottom side, Cu₆Sn₅ and Cu₃Sn IMCs were formed. Mean time to failure on SAC305 solder bump at 130℃ with a current density of 5.0×10³A/㎠ was 78.7 hrs. EM open failure was observed at bottom OSP surface finish by fast consumption of Cu atoms when electrons flow from bottom Cu substrate to solder. In-situ scanning electron microscope analysis showed that IMC growth rate of ENIG surface finish was much lower than that of the OSP surface finish. Therefore, EM reliability of ENIG surface finish was higher than that of OSP surface finish due to its superior barrier stability to IMC reaction.