반도체 패키지 저온 솔더링을 위한 Sn-Bi/Sn-Ag-Cu 하이브리드 접합부 기계적 특성 개선 연구

A Study of Improving the Mechanical Properties of Sn-Bi/Sn-Ag-Cu Hybrid Joints for Low-Temperature Soldering in Semiconductor Packages

본 연구에서는 Sn58Bi 솔더 페이스트와 0.1 wt% TiC 나노 파우더를 기계적으로 혼합하여 Sn58Bi-0.1TiC 복합 솔더 페이스트를 제조하였다. OSP 표면처리가 된 PCB의 Cu 패드에 Sn58Bi-xTiC (x = 0, 0.1) 솔더 페이스트를 인쇄하고, 직경 350 μm의 SAC305 솔더볼을 배치하였다. 이후 190°C에서 리플로우 솔더링을 수행하여 형성된 접합부의 미세구조 및 기계적 특성을 평가하였다. TiC 나노 입자의 첨가는 Bi-phase 를 미세화하고, SAC305 솔더볼 상단으로 확산되는 것을 억제하였다. 하이브리드 솔더 접합부 계면에서는 Cu6Sn5와 Ag3Sn 금속간화합물이 형성되었으며, 리플로우 횟수가 증가할수록 조대화하는 경향을 보였다. 파면 관찰 결과 리플로우 1회시 Sn58Bi/SAC305 하이브리드 솔더는 Sn58Bi 솔더에서 파괴가 발생하였고, Sn58Bi-0.1TiC/SAC305 하이브리드 복합 솔더는 SAC305 솔더볼에서 파괴가 발생하였다. 또한리플로우 횟수가 증가할수록 취성파괴 영역이 확대되었다. 전단 시험 결과, TiC 나노 입자의 첨가로 인한 전단 강도 차이는 크지 않았으나, Sn58Bi/SAC305 하이브리드 솔더보다 높은 파괴 에너지를 보였다.

This study developed a Sn58Bi-0.1TiC composite solder paste by mechanically mixing of Sn58Bi solder paste with 0.1 wt% TiC nanopowder. Sn58Bi-xTiC (x = 0, 0.1) solder paste was printed onto OSP-treated Cu pads of a PCB, and 350 μm SAC305 solder balls were placed on the top of the printed solder paste. Reflow soldering was performed at 190°C, and the joints were analyzed for their microstructures and mechanical properties. The addition of TiC nanoparticles refined the Bi phase and inhibited its diffusion toward the top of the SAC305 solder balls. At the hybrid solder joint interface, intermetallic compounds such as Cu6Sn5 and Ag3Sn were observed, which tended to coarsen with an increasing number of reflow cycles. Fracture surface analysis showed that after a single reflow cycle, the fractures occurred within the Sn58Bi solder in the Sn58Bi/SAC305 hybrid joints, whereas the fractures in the Sn58Bi-0.1TiC/SAC305 hybrid joints occurred within the SAC305 solder balls. Moreover, the brittle fracture area expanded with additional reflow cycles. Shear test revealed that while the addition of TiC nanoparticles did not significantly affect the shear strength, the Sn58Bi-0.1TiC/SAC305 hybrid joints demonstrated higher fracture energy compared to the Sn58Bi/SAC305 hybrid joints.