계면 화학반응과 무전해 니켈 금속층에서 나타나는 취성파괴와의 연관성에 관한 연구

Correlation between Interfacial Reaction and Brittle Fracture Found in Electroless Ni(P) Metallization

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)₃Sn₄와 (Cu,Ni)₆Sn₅의 삼성분계 금속간화합물이 생성되었고 spatting은 발생하지 않았다. 반면, Sn-3.5Ag 솔더와의 반응시에는 Ni₃Sn₄ 금속간화합물이 spatting된 솔더패드에서 취성파괴가 발생하였다. 파괴표면을 면밀히 분석한 결과 취성파괴는 Ni₃Sn₄ 금속간화합물과 Ni(P) 금속층 사이에 형성된 Ni₃SnP 층에서 발생하는 것을 알 수 있었다. Ni₃SnP 금속간화합물 층은 Ni₃Sn₄ 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)₃Sn₄ and/or (Cu,Ni)₆Sn₅ compound were formed at the interface without spatting from the Ni(P) film. For Sn-3.5Ag, Ni₃Sn₄ compound was formed and brittle fracture occurred in solder pads where Ni₃Sn₄ had spalled. From the analysis of fractured surfaces, it was found that the brittle fracture occurs through the Ni₃SnP layer formed between Ni₃Sn₄ intermetallic layer and the Ni(P) film. Since the Ni₃SnP layer is getting thicker during/ after Ni₃Sn₄ spatting, suppression of Ni₃Sn₄ spatting is crucial to ensure the reliability of Ni(P)/solder system.