Si-wafer의 플럭스 리스 플라즈마 무연 솔더링

Fluxless Plasma Soldering of Pb-free Solders on Si-wafer: Effect of Plasma Cleaning

플라즈마 리플로우 솔더링에서 솔더볼의 접합성을 향상시키기 위해 UBM(Under Bump Metallization)을 Ar-10vol%H₂플라즈마로 클리닝하는 방법을 연구하였다. UBM층은 Si 웨이퍼 위에 Au(두께; 20 nm)/ Cu(4 μm)/ Ni(4 μm)/ Al(0.4 μm)을 웨이퍼 측으로 차례대로 증착하였다. 무연 솔더로는Sn-3.5wt%Ag, Sn-3.5wt%Ag-0.7wt%Cu를 사용하였고 Sn-37wt%Pb를 비교 솔더로 사용하였다. 지름이500 μm인 솔더 볼을 플라즈마 클리닝 처리를 한 UBM과 처리하지 않은 UBM위에 놓고, Ar-10%H₂플라즈마 분위기에서 플럭스 리스 솔더링하였다. 이 결과는 플럭스를 사용하여 대기 중에서 열풍 리플로우한 결과와 비교하였다. 실험 결과, 플라즈마 클리닝 후 플라즈마 리플로우한 솔더의 퍼짐율이 클리닝 하지 않은 플라즈마 솔더링보다 20-40%정도 더 높았다. 플라즈마 클리닝 후 플라즈마 리플로우한 솔더 볼의 전단 강도는 약58-65MPa로, 플라즈마 클리닝 하지 않은 플라즈마 리플로우보다 60-80%정도 높았으며, 플럭스를 사용한 열풍 리플로우보다는 15-35%정도 높았다. 따라서 Ar-10%H₂가스를 사용하여 UBM에 플라즈마 클리닝하는 공정은 플라즈마 리플로우 솔더 볼의 접합강도를 향상시키는데 상당한 효과가 있는 것으로 확인되었다.

To evaluate the effect of plasma cleaning on the soldering reliability the plasma cleaning using Ar-10vol%H₂ gas was applied on a UBM(Under Bump Metallization). The UBM consisted of Au/ Cu/ Ni/ Al layers which were deposited on a Si-wafer with 20 nm/ 4 μm/ 4 μm/ 0.4 μm thickness respectively. Sn-3.5%Ag, Sn-3.5%Ag-0.7%Cu and Sn-37%Pb solder balls sized of 500 μm in diameter were used. Solder balls on the UBM were plasma reflowed under Ar-10%H₂ plasma (with or without plasma cleaning). They were compared with air reflowed solder balls with flux. The spreading ratios of plasma reflowed solder with plasma cleaning was 20-40% higher than that of plasma reflowed solder without plasma cleaning. The shear strength of plasma reflowed solder with plasma cleaning was about 58-65MPa. It showed 60-80% higher than that of plasma reflowed solder without plasma cleaning and 15-35% higher than that of air reflowed solder. Thus it was believed that plasma cleaning for the UBM using Ar-10vol%H₂ gas was considerably effective for the improvement of the strength of solder ball.