인48Sn 솔더 조인트 신뢰성에 미치는 표면 피니시 효과

초록

본 연구에서는 Cu 패드 위에 형성된 네 가지 서로 다른 기판 표면 피니시(전기도금 Ni/Au(E‑NG), 무전해 Ni/침지 Au(ENIG), 침지 Ag(I‑Ag), 유기 솔더 보존제(OSP))가 In‑48Sn(무게% 기준) BGA 솔더 조인트의 계면 반응 및 전단 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 본드 공정 중에는 각각 E‑NG, ENIG, OSP 기판과 솔더 사이에 연속적인 AuIn₂, Ni₃(Sn,In)₄, Cu₆(Sn,In)₅ 상이 형성되었다. I‑Ag 기판과의 반응에서는 Cu₆(Sn,In)₅와 Cu(Sn,In)₂ 상이 주로 형성되고, 소량의 Ag가 포함되었다. 전단 시험 결과, In‑48Sn/I‑Ag 조인트가 네 종류 중 가장 우수한 전단 강도를 보였으며, 반대로 ENIG 기판을 사용한 조인트는 가장 낮은 기계적 강도를 나타냈다.

상세 요약

이 논문은 차세대 고신뢰성 전자 패키징에서 주목받고 있는 저온용 인‑주석(In‑48Sn) 솔더의 실제 적용 가능성을 평가하기 위해, 기판 표면 피니시가 솔더와의 계면 반응 및 기계적 신뢰성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. 먼저, Cu 패드 위에 네 가지 대표적인 피니시(E‑NG, ENIG, I‑Ag, OSP)를 적용하고, 동일한 본드 조건(예: 250 °C, 30 s) 하에서 In‑48Sn 볼을 리플로우하였다. 계면에서 관찰된 상은 각각의 피니시 특성에 따라 달라졌다. 전기도금 Ni/Au에서는 Au가 용해되어 AuIn₂ 상이 연속적으로 형성되었으며, 이는 Au가 높은 용해도와 낮은 확산 저항을 가지고 있기 때문에 발생한다. 무전해 Ni/침지 Au(ENIG)에서는 Ni가 Sn·In과 반응해 Ni₃(Sn,In)₄ 상을 형성했는데, 이 상은 비교적 부서지기 쉬운 구조를 가지고 있어 전단 강도 저하의 원인으로 작용한다. OSP는 유기층이 제거된 후 Cu가 직접 노출되므로 Cu₆(Sn,In)₅ 상이 형성되었으며, 이 상은 중간 정도의 기계적 강도를 제공한다. 가장 흥미로운 결과는 I‑Ag 기판에서 나타난다. Ag는 Sn·In과 반응하여 Cu₆(Sn,In)₅와 Cu(Sn,In)₂ 상을 형성하면서도 소량의 Ag가 고르게 섞여 복합적인 미세구조를 만든다. 이러한 복합 상은 경도와 연성의 균형을 제공해 전단 시험에서 가장 높은 전단 강도와 파단 변형을 기록하였다. 반면 ENIG 기판은 Ni₃(Sn,In)₄ 상이 두껍게 성장하고, 그 경계면에서 취성 파괴가 쉽게 일어나 전단 강도가 가장 낮았다.

이 연구가 시사하는 바는, 저온 솔더 시스템에서 전통적인 Ni/Au 혹은 ENIG 피니시가 반드시 최적 선택은 아니라는 점이다. 특히, Ag 기반 피니시가 In‑Sn 솔더와의 계면에서 유리한 복합 IMC를 형성해 기계적 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다. 이는 고주파, 고전력, 혹은 열‑기계적 스트레스가 가해지는 최신 전자 패키지(예: 3D‑IC, SiP)에서 중요한 설계 인자로 활용될 수 있다. 다만, 연구는 실험실 수준의 본드 조건과 제한된 피니시 두께에 기반하고 있어, 실제 생산 라인에서의 온도‑시간 프로파일 변화, 장기 열‑기계적 사이클링, 그리고 납땜 후 부식 환경 등에 대한 추가 검증이 필요하다. 또한, Ag 피니시의 비용 및 공정 호환성, 그리고 Ag이온이 장시간 사용 시 전기적 신호에 미치는 영향을 고려해야 한다. 향후 연구에서는 다양한 합금 조성(예: In‑Sn‑Bi)과 다중 피니시(예: Ni/Pd/Au) 조합을 탐색하고, 전자 현미경·XRD·EBSD 등을 활용한 미세구조‑기계적 특성 상관관계를 정량화함으로써 설계 가이드라인을 확립하는 것이 바람직하다.