KR101141762B1 - 반도체 패키지에 사용되는 구리 코어의 무연 솔더볼 및 이를 포함한 반도체 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 구리를 주성분으로 하는 코어와, 주석 및 인듐을 주성분으로 하는 도금층을 포함하는 구리 코어의 무연 솔더볼에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 반도체 패키지 등의 접합부(interconnect)에 사용되는 솔더 조인트의 신뢰성을 향상시키기 위해서 주석 및 인듐의 성분으로 구성된 도금층이 사용된 구리 코어의 솔더볼을 사용하여, 특히 가혹한 조건을 가진 차량에 적용 가능한 고 신뢰성의 무연 솔더볼 및 그 무연 솔더볼을 포함한 신뢰성이 우수한 반도체 패키지를 제공할 수 있다.

Description

반도체 패키지에 사용되는 구리 코어의 무연 솔더볼 및 이를 포함한 반도체 패키지{Copper-cored solder balls for micro-electronic packages and micro-electronic packages including the same}
본 발명은 반도체 패키지에 사용되는 구리 코어의 무연 솔더볼 및 이를 포함한 반도체 패키지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 솔더볼의 접합을 기반으로 하는 모든 기술 및 과학 분야에 응용이 가능하며, 특히 전자 산업 응용분야 중 솔더볼 사용을 연결(interconnect) 기반으로 하는 모든 종류의 반도체 패키지에 사용될 수 있는 무연 솔더볼 및 이를 이용한 반도체 패키지에 관한 것이다.
우리나라는 반도체 산업의 의존도가 굉장히 높으며 지난 10여 년간 핸드폰, 노트북, PDA 등 소형 전자기기(mobile devices)의 발달이 급속도로 이루어져 왔다. 따라서 이들 전자 기기에 들어가는 반도체 칩의 안정성 및 신뢰성은 전자 기기의 전기적 특성 못지않게 중요한 성공 요인으로 부각되고 있다. 더욱이, 반도체 칩과 기판의 전기적 접속을 위해(microelectronic interconnect) 존재하는 솔더 조인트(solder joints)(도 1)가 가장 취약한 형태의 파괴를 보이는 것이 일반적인 현상이다. 특히, 최근 환경적인 이유로 기존에 사용되고 있던 주석-납 솔더(Sn-Pb solder)를 대체하여 확산 사용되고 있는 무연 솔더(lead-free)의 신뢰성이 일반적으로 취약하다는 연구 결과들로 인해 반도체 패키지의 솔더 조인트에 관한 연구가 가장 중요한 이슈 중의 하나로 인식되어 왔다.
도 1은 FC-BGA (Flip-Chip Ball Grid Array) 반도체 패키지의 구조 및 솔더 조인트를 도식화한 그림이다.
또한, 현대의 차량은 점점 더 고급화되고 차량 안의 더 많은 기능들이 전자 시스템의 적용을 받게 됨에 따라, 차량 등의 가혹한 조건에서 사용되는 반도체 패키지의 특성에도 많은 기술의 수요가 증가하고 있으며, 그에 따른 다양한 연구가 진행되고 있다. 차세대 차량용 반도체의 패키지에는 소형화, 저전력 소모, 그리고 고전압 및 내열성에 견뎌낼 수 있는 높은 신뢰성을 요구하고 있으며, 이들 차세대 패키지들은 반도체 내부 배선의 소형화 추세로 급격히 작아지고 있는 추세이므로 기계적 특성 및 신뢰성의 관점에서는 매우 불리할 수 밖에 없는 상황이다. 이 패키지들에 사용되는 솔더볼 및 솔더 조인트는 기계적/신뢰성의 관점에서 볼 때 가장 중요한 소재중의 하나로 여겨지고 있다. 특히, 차량용 반도체는 계속되는 진동, 고전압 및 고온 등의 매우 혹독한 환경에서 사용되므로 여러 가지의 탁월한 신뢰성을 보유하여야 한다.
본 발명자들은 신뢰성이 우수한 반도체 패키지용 무연 솔더볼을 개발하고자 예의 노력한 결과, 구리를 코어로 한 솔더볼이 전기적, 열적 성질이 뛰어나 차량용 반도체에 적합할 것으로 예상하였다. 그러나, 이처럼 구리를 코어로 한 솔더볼은 우수한 성질 때문에 차량용 반도체 패키지와 같은 특수 분야에 사용될 수 있는 높은 가능성이 있으나, 그 기계적, 전기적 성질에 대한 체계적인 연구가 미미한 상황이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 열적, 전기적, 기계적으로 가혹한 환경에서 사용되는 반도체 패키지 등의 접합부(interconnect)에 사용되는 솔더 조인트의 신뢰성을 향상시키기 위해서 구리 코어의 솔더볼을 사용하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 가혹한 조건을 가진 차량에 적용 가능한 고 신뢰성의 무연 솔더볼을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기의 무연 솔더볼을 포함하며, 신뢰성이 우수한 반도체 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 구리를 주성분으로 하는 코어와, 주석 및 인듐을 주성분으로 하는 도금층을 포함하는 구리 코어의 무연 솔더볼을 제공한다.
또한, 상기 도금층의 주석 및 인듐의 조성비율은 각각 50 ~ 99.99중량% 및 0.01 ~ 50.0중량%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코어의 직경은 10 nm ~ 10 mm의 범위인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도금층의 두께는 0.1 ~ 900 ㎛의 범위인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코어는 순수 구리 또는 구리 기반 합금이 될 수 있으며 함량이 10질량% 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구리 합금 코어는 아연, 주석, 납, 니켈, 은, 팔라듐, 안티모니, 알루미늄, 망간, 몰리브덴 및 금 중의 1종 이상과 구리가 합금으로 이루어져 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기의 무연 솔더볼을 포함하는 반도체 패키지를 제공한다.
본 발명에 의하면, 반도체 패키지 등의 접합부(interconnect)에 사용되는 솔더 조인트의 신뢰성을 향상시키기 위해서 구리 코어의 솔더볼을 제공하여, 특히 가혹한 조건을 가진 차량에 적용 가능한 고신뢰성의 무연 솔더볼 및 그 무연 솔더볼을 포함한 신뢰성이 우수한 반도체 패키지를 제공할 수 있다.
도 1은 FC-BGA (Flip-Chip Ball Grid Array) 반도체 패키지의 구조 및 솔더 조인트를 도식화한 그림.
도 2는 리플로우(Reflow)가 진행된 후의 솔더볼을 도식화한 그림.
도 3은 작은 피치(pitch)를 가진 패키지의 신뢰성 확보를 위해 구리코어(Cu-core)나 구리필러(Cu-pillar)를 이용해 범프 높이를 높이는 매커니즘.
도 4는 전자이동(Electro-migration) 현상을 개략적으로 나타낸 모식도.
도 5는 범프 높이(Bump height)가 증가함에 따라 열 수명(thermal life)이 증가하는 것을 나타낸 그래프.
도 6은 (a) 140℃에서 4.6×104A/cm2의 전류 밀도를 흘려주어 각 시간별로 저항을 측정하여 도식화한 결과, (b) 140℃에서 4.6×104A/cm2의 전류 밀도를 흘려주어 각 시간별로 온도를 측정한 것으로, Joule heating으로 40℃정도 높아진 것을 볼 수 있으며, (c) 전자이동(electro-migration) 샘플을 나타낸 것이고, (d) (c)의 샘플에서 ⓐ와 ⓑ샘플의 전자이동 현상의 진행을 시간별로 보인 이미지.
도 7은 전자가 이온에 운동량을 전달하여 전자바람 현상으로 이온이 이동되는 것을 나타낸 모식도.
도 8a 및 도 8b는 각각 비교예 1 및 실시예의 솔더볼을 리플로우 과정을 기판(substrate pad) 에 부착한 후의 단면.
도 9a는 노멀-스피드 전단시험(normal-speed shear test)의 결과 그래프.
도 9b는 하이-스피드 인장시험(high-speed pull test)의 결과 그래프.
도 10은 하이-스피드 인장시험(high-speed pull test)의 진행 후, 실시예 및 비교예 1의 파괴 메커니즘을 분석하기 위해 광학현미경을 이용한 여러 종류의 파괴 단면.
도 11에는 비교예 1과 실시예에서의 파괴 모드 발생 비율을 비교한 그래프.
도 12는 실시예 및 비교예의 솔더 조인트에 165℃에서 0.675Å 전류를 흘려 측정된 전자이동 저항 결과값을 비교한 그래프.
도 13은 실시예 및 비교예의 열 수명(thermal life) 실험 결과 그래프.
도 14는 실시예 및 비교예의 솔더 조인트에 대해 진동 시험을 진행하는 모습을 나타낸 사진이미지.
본 발명은, 구리를 주성분으로 하는 코어와, 주석 및 인듐을 주성분으로 하는 도금층을 포함하는 구리 코어의 무연 솔더볼에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 구리 코어의 무연 솔더볼은 구리를 주성분으로 하는 코어볼과, 그 외부 피막을 코팅하고 있는 도금층으로 이루어져 있다.
상기 코어는 주성분이 구리로 되어 있으며, 그 외의 다른 금속과의 합금으로 되어 있을 수도 있다. 구리와 합금으로 될 수 있는 금속으로는 예를 들어, 아연, 주석, 납, 니켈, 은, 팔라듐, 안티모니, 알루미늄, 망간, 몰리브덴 및 금 등의 금속을 들 수 있으며, 본 발명이 속하는 분야에서 합금 금속으로 상용되는 것이면 제한 없이 사용 가능하다.
코어 금속으로 구리와 다른 금속의 합금이 사용되는 경우, 그 중 구리의 함량은 10질량% 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. 구리의 이보다 함량이 낮으면 전자이동(Electromigration) 저항성 향상이 어느 정도 저해될 수 있으므로 바람직하지 않을 수도 있다. 또한 코어 금속은 하나일 필요는 없으며, 작은 코어 금속이 솔더 도금 층 안에 여러 개로 분포될 수도 있다.
본 발명에 따른 무연 솔더 볼의 도금층은 주석과 인듐을 주성분으로 한 것이다. 이 경우 도금층의 주석의 조성비율은 50 ~ 99.99중량%의 범위이며, 인듐의 조성비율의 범위는 0.01 ~ 50.0중량%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 주석의 함유율이 상대적으로 많은 것이 가격 경쟁력 면에서 우월할 뿐만 아니라, 기존에 사용되고 있는 조성의 솔더볼과 유사한 특성을 보유하게 되므로, 바람직하다.
본 발명에 따른 무연 솔더볼의 코어의 직경은 다양한 범위, 즉 10 nm ~ 10 mm의 범위에서 사용 가능하다.
또한, 상기 도금층의 두께는 0.1 ~ 900 ㎛의 두께로 다양할 수 있다.
본 발명에 따른 구리 코어의 무연 솔더볼(Copper-cored ball)은, 내부의 작은 구리공을 코어로 구비하고 있는데, 이 때문에 열적, 전기적 성질이 뛰어나고, 리플로우(reflow) 후에도 볼 피치(ball pitch)간의 신뢰성이 확보되며, 볼의 높이(ball height)가 높아지는 효과를 나타낸다.
도 2는 리플로우(Reflow)가 진행된 후의 솔더볼을 도식화한 그림이다. 구리 코어(Cu-cored) 솔더볼은 리플로우 후에도 솔더볼 높이(height)를 높게 유지시킬 수 있어서 기존의 솔더볼에 비해서 작은 피치(pitch)나 밀집도가 높은 패키지에서 신뢰성의 장점을 제공할 수 있다.
<열 수명(Thermal life)>
열 사이클 파괴(Thermal cycle failure)는 주기적인 고온과 저온 사이에서 열팽창계수의 차이로 인해 열 스트레스(thermal stress)가 발생하여 결국에는 파괴가 발생하는 현상으로, 고온 환경에서 사용되는 반도체 패키지에서 빈번하게 발생되는 현상이다. 이러한 이유로 열 사이클 파괴에 대한 좋은 신뢰성은 반도체에서 필수적인 특성일 수밖에 없다. 선행 연구 결과를 살펴보면 범프/볼 높이(bump/ball height)가 높을수록 열 수명이 증가한다는 결과가 있다. 동일한 이유로 열 수명을 증가시키기 위해 Cu 볼 또는 Cu pillar를 사용하여 범프 높이를 높일 수도 있다.
도 3은 도 2와 마찬가지로 작은 피치(pitch)를 가진 패키지의 신뢰성 확보를 위해 구리코어(Cu-core)나 구리필러(Cu-pillar)를 이용해 범프 높이를 높이는 매커니즘을 나타내었다.
<전자이동(Electro-migration), 열 수명(Thermal life) 및 진동(Vibration) 저항성>
특별히 차량용으로 사용되는 반도체 패키지는 고온 및 열 사이클(thermal cycling), 진동(vibration), 전자이동(electro-migration) 등 다양한 기계적, 전기적, 열적 특성에 대하여 우수한 저항성을 가져야 솔더 조인트의 파괴(failure) 없이 오랜 수명을 지니게 될 수 있다. 따라서 차량용으로 사용되는 차세대 특수 반도체 패키지의 솔더 조인트 개발 및 평가, 즉 기계적 성질과 전기적, 열적 성질의 정확한 계측/측정 방식이 점점 더 중요하게 부각되고 있다. 더욱이 최근 수년간 진행되어 온 무연(lead-free) 반도체 패키지의 필수성이 대두되면서, 상대적으로 기존에 사용되던 주석-납 솔더 조인트(Sn-Pb solder joint) 보다 우수한 신뢰성을 가지고 있는 대체 무연 솔더 조인트의 개발 및 평가는 반도체 패키지 분야에서 가장 중요한 연구 분야 중 하나가 되어 왔다.
차량용 반도체는 계속되는 진동, 고전압 및 고온 등의 매우 혹독한 환경에서(extremely harsh environment) 사용될 수 있으므로, 여러 가지 탁월한 신뢰성을 보유하여야 한다. 차량용 반도체 패키지는 고온에서의 사용 환경 때문에 주기적으로 고온과 저온 사이에서 열 응력이 생기고, 열 피로에 의한 파괴가 빈번하게 발생된다. 또한, 차량용 반도체 패키지에서 가장 흔히 일어날 수 있고 치명적일 수 있는 파괴들 중의 하나는 전자이동으로, 이는 많은 전류가 도체에 흐르게 될 때 전자들과 금속이온들이 충돌하게 되면서 운동량 전달을 통해(momentum transfer) 금속이온들이 이동하여 결과적으로 그 도체 금속이 파괴까지 이르게 되는 현상이다.
도 4는 전자이동(Electro-migration)을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
반도체 패키지의 소형화 추세에 따라 패키지의 크기가 작아지면서 솔더 조인트에 영향을 미치는 전류 밀도가 높아지고 있기 때문에 향후 더욱 치명적인 문제로 이슈가 될 것이며, 현재 전자이동의 메커니즘과 저항성을 위한 많은 연구가 진행 중에 있다. 현재 가장 일반적으로 사용되는 솔더 조인트의 조성인 SAC조성 무연 솔더에서도 전자이동은 빈번하게 발생되고 있다. 이에는 몇 가지의 원인이 있는 것으로 알려져 있으며 그 중 가장 대표적인 원인으로는 전류의 이동과 함께 Cu원소가 SAC의 솔더볼 안으로 확산되어 Cu6Sn5의 intermetallic compound(IMC)를 형성하는 것이 구동력이 되는 것으로, 결과적으로 Cu 도체(conductor)의 파괴에 이르게 되는 계면 반응 구동 전자이동 파괴(interface-reaction driven electromigration failure) 현상이다. 이 현상에 의한 파괴를 줄이기 위해서는 솔더볼 내부로 확산되는 구리의 양을 줄여야 하며, 그 방법으로는 구리나 니켈 원소를 소량 솔더볼 내부에 첨가하여 확산 구동력을 줄이는 것이 효과적인 것으로 알려져 있다. 따라서 본 발명은 더욱 효과적인 방법으로서 솔더볼 내부 전체가 구리로 되어 있는 구리 코어의 솔더볼을 선택한 것이다.
이는 작은 구리 볼에 전기도금(electroplating)을 통하여 Sn계 조성의 일반 솔더를 도금으로 입혀 볼 어태치(ball-attach)를 할 수 있으며, 패드 표면에 접촉되는 부분은 Sn계 조성의 솔더볼이므로 현재 사용되는 패키지의 공정 과정을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 구리 코어는 리플로우 과정에서 녹는점이 높아 녹지 않으므로, 요즘 소형화 추세로 좁은 볼간 간격(ball pitch)의 패키지에서도 일반 솔더볼에 비해 볼 간 거리를 더욱 균일하게 유지하여 신뢰성을 확보할 수 있으며, 볼 높이(height)를 높게 유지할 수 있다(도 2). 볼 높이가 높을수록 열 사이클 수명(thermal cycle life)이 향상되므로 구리 코어 솔더볼은 열 피로(thermal fatigue) 저항성이 일반 솔더볼에 비해 뛰어날 것이다.
도 5는 구리 코어(Cu-cored) 솔더볼의 경우처럼 범프 높이(bump height)가 증가함에 따라 열 수명(thermal life)이 증가하는 것을 보여주고 있다.
이하, 접합 강도 및 전자이동, 열 피로, 진동 시험에 관한 관련 실험 결과를 나타내었다.
도 6은 (a) 140℃에서 4.6×104A/cm2의 전류 밀도를 흘려주어 각 시간별로 저항을 측정하여 도식화한 결과, (b) 140℃에서 4.6×104A/cm2의 전류 밀도를 흘려주어 각 시간별로 온도를 측정한 것으로, joule heating으로 40℃정도 높아진 것을 볼 수 있으며, (c) 전자이동(electro-migration) 샘플을 나타낸 것이고, (d) (c)의 샘플에서 ⓐ와 ⓑ샘플의 전자이동 현상의 진행을 시간별로 보인 것이다.
<전자이동(Electro-migration)>
전자이동이란 많은 전류가 도체에 흐르게 될 때 전자들과 금속이온들의 충돌하게 되면서 운동량 전달을 통해(momentum transfer) 금속이온들이 이동하여 결과적으로 그 도체 금속의 파괴까지 이르게 되는 현상을 말한다(도 4). 전자의 질량은 이온보다 100,000배 정도 더 작지만, 연속된 운동량 전달을 통해 이온이 이동되는 전자 바람(electron wind) 현상이 발생한다(도 7). 전자이동은 일반적으로 양극(anode)에 원자가 축적되고, 음극(cathode)에서는 공공(void)이 생성되는데 전류밀집(current crowding) 효과 때문에 단면적의 크기가 작은 솔더 조인트의 코너 부근에서 먼저 생성되고, 그 후 공공이 점점 성장하여 결국에는 회로를(circuit) 파괴하게 된다(도 6의 (d)). 구리 또는 알루미늄 인터커넥트 (interconnects)에서 전자이동이 발생하는 전형적인 전류밀도는 106 ~ 107 A/cm2 이지만, IC chip에 사용되는 솔더 조인트(SnPb 또는 SAC 무연)는 훨씬 더 낮은 104 A/cm2 정도에서 전자이동 현상이 발생하며, 자동차와 같이 혹독한 환경에서의 사용과 반도체 패키지 소형화 추세에 의해 솔더볼 사이즈 및 단면적의 크기가 작아질수록 솔더 조인트에서의 전류 밀도는 반대로 높아져 전자이동에 의한 파괴 위험이 증가하여, 향후 더욱 치명적인 중요한 이슈가 될 수 있을 것으로 판단된다.
도 7은 전자가 이온에 운동량을 전달하여 전자바람 현상으로 이온이 이동되는 것을 보여준다.
본 발명은 또 다른 관점으로, 상기의 무연 솔더볼을 포함하는 반도체 패키지에 관한 것이다. 상기와 같은 특징을 갖고 있는 무연 솔더볼을 기반으로 접속하는 반도체 패키지는 신뢰성이 뛰어나, 특히 차량/항공용 반도체 패키지에 사용되는데 적합하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
실시예 1
직경 300㎛의 작은 구리 공에 Sn-1.0In 조성으로 15㎛의 균일한 두께로 도금된 구리 코어 솔더볼에 대해 차량용 반도체 패키지에 적합한 기계적, 전기적, 열적 성질을 분석하였다.
비교예 1
직경 300㎛의 작은 구리 공에 Sn-3.0Ag 조성으로 15㎛의 균일한 두께로 도금된 구리 코어 솔더볼에 대해 차량용 반도체 패키지에 적합한 기계적, 전기적, 열적 성질을 분석하였다.
비교예 2
구리 코어 및 도금층의 총 두께와 같은 330㎛ 직경의 Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC 305, MK Electron, Korea) 솔더볼에 대해 차량용 반도체 패키지에 적합한 기계적, 전기적, 열적 성질을 분석하였다.
실험예
솔더볼의 접합강도
상기 실시예 및 비교예의 접합 강도를 하이-스피드 인장시험(high-speed pull test(400mm/s))를 통해서 비교하였다. 접합 강도 실험은 서로 리플로우(reflow) 1회를 진행하여 솔더볼을 기판에 부착한 후 진행하였다.
도 8에 비교예 1(a) 및 실시예(b)의 솔더 볼을 리플로우 과정을 통해 기판 (substrate pad)에 부착한 후의 단면을 나타내었다. 솔더볼의 접합 후에 실시예(Sn-1In)의 솔더볼과 코팅 사이의 계면이 비교예 1(Sn-3.5Ag)의 솔더볼과 코팅 사이의 계면보다 더 적은 양의 pore를 나타내는 것을 알 수 있다. 이는 일반적으로 기계적 성질에 유리하게 작용할 수 있는 물성중의 하나로 알려져 있다.
Electrolytic Ni/Au 표면처리(surface finish)에서 노멀-스피드 전단시험(normal-speed shear test)(500μm/s)과 하이-스피드 인장시험(high-speed pull test)(400mm/s)을 통해 비교예 및 실시예의 접합강도를 측정하였고, 도 9에 결과 그래프를 각각 나타내었다. 도 9a는 노멀-스피드 전단시험(normal-speed shear test)의 결과 그래프이고, 도 9b는 하이-스피드 인장시험(high-speed pull test)의 결과 그래프이다. 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 접합 강도 실험 결과 실시예가 더 높은 접합 강도를 나타내었다.
도 10은 하이-스피드 인장시험(high-speed pull test)의 진행 후, 실시예 및 비교예 1의 파괴 메커니즘을 분석하기 위해 광학현미경을 이용한 여러 종류의 파괴 단면을 나타내었다.
파괴 모드는 대표적으로 4가지 종류로 나누어 분석할 수 있으며, 각각의 파괴모드의 정의는 다음과 같다.
(a) Inter metallic compound(IMC) 파괴모드 : 도금층과 기판의 접합 부분인 IMC에서 파괴가 일어난 경우로 일반적인 SAC조성의 솔더 조인트에서 빈번하게 발생하는 파괴 모드이다.
(b) Interface 파괴모드 : 구리 코어와 도금층 사이의 계면(interface)에서 발생하는 파괴 모드이다.
(c) Semi-plating 파괴모드 : interface 파괴모드와 plating 파괴 모드의 중간으로서, interface 파괴모드에서 약 30%이상 도금층 중간부분의 파괴가 발생하는 파괴모드이다.
(d) Plating 파괴모드 : 도금층 내부에서 파괴가 발생한 경우이다.
두 가지 종류 도금층을 가진 비교예 1 및 실시예는 서로 다른 파괴모드를 보인다. 도 11에는 비교예 1과 실시예에서의 파괴 모드를 상기 4가지 종류의 모드로 나누어 각각의 파괴 발생 비율을 비교하였다.
Interface fracture가 주된 파괴모드를 이루는 비교예 1과 달리, 실시예는 약 20%정도의 IMC fracture 모드를 보인다. 이는 접합성 및 젖음성의 향상에 In의 성분이 기여한 것으로 추측되며 또한 interface pore의 밀도와 관련될 수 있다고 추측된다. Sn-1.0In으로 도금된 실시예의 경우 비교예 1보다 copper core와 도금 층 사이의 접합이 향상되고, pore의 밀도가 상대적으로 더 적기 때문에 도금층과 copper core의 접합 강도가 더 높아졌고 따라서 이 부분에서의 파괴모드의 비율이 상대적으로 적게 되었다고 추측할 수 있다.
전자이동
본 실험에서 전자이동 실험 조건은 가혹한 조건인 165℃에서 0.675Å전류를 흘려주어 각 샘플의 수명(life time)을 측정하였다. 실험 결과 구리 코어 솔더 볼(실시예)이 SAC305조성(비교예 1)에 비해 향상된 전자이동 저항성을 나타냈으며, 특히 Sn-1.0In으로 도금된 실시예가 SAC305(비교예 1)에 비해 3배 이상 높은 저항성을 나타냈다(도 12). 이는 내부의 작은 구리 볼에 의해 구리 도체가 내부로 확산하려는 구동력(driving force)을 낮춰줬기 때문으로 생각되며, 실시예에서는 In의 효과로 인해서 electromigration의 저항성이 더욱 높아진 것으로 판단된다.
도 12는 실시예 및 비교예의 솔더 조인트에 165℃에서 0.675Å 전류를 흘려 측정된 전자이동 저항 결과값을 보여준다.
열 수명( Thermal life )
한 사이클 당 15분, 온도구간 -55 ~ +150℃에서 열 수명(thermal life) 실험을 진행하였으며, 그 결과 구리 코어 볼(실시예 및 비교예 1)이 비교예 2에 비해 다소 높은 열 피로(thermal fatigue) 저항성을 나타내는 것을 볼 수 있다(도 13). 이러한 결과는 앞에서 설명된 바와 같이 내부의 구리 코어에 의해 리플로우 이후에도 솔더 조인트의 높이가 일정하게 높이 유지될 수 있기 때문으로 판단된다 (도 5).
진동( Vibration ) 저항성
진동 파괴(Vibration failure)는 차량용 반도체 패키지와 같이 특수한 환경에서 계속되는 진동에 의해 파괴가 일어나는 현상이다. 진동 테스트 실험 조건은 자동차 반도체 패키지의 10년 수명에 해당된다고 보고한 한 논문의 조건인 4.3g에서 20 ~ 2000Hz(11분), x,y,z 축 각각 2시간씩 총 6시간 동안 CV-700-080 장비를 이용하여 진행하였다(도 14). 실험 결과 모든 샘플에서 진동에 의한 파괴는 나타나지 않았다. 이러한 결과에 의해 구리 코어 솔더볼의 진동 저항성은 차량용 반도체 패키지에 사용되기에 충분한 신뢰성을 지니고 있다고 판단할 수 있다.
도 14는 실시예 및 비교예의 솔더 조인트에 대해 진동 시험을 진행하는 모습을 나타낸 사진이다.
결과
차량용 패키지에 적합할 것으로 판단되는 구리 코어 솔더 볼을 기존의 일반적인 SAC305 조성의 무연 솔더와 함께 비교하여, 다양한 기계적, 전기적 및 열적 성질을 분석한 결과 접합 강도, 전자이동(electro-migration), 열 피로(thermal fatigue), 진동(vibration) 저항성 등 모든 연구 결과에서 비슷하거나 비교적 우수한 저항성을 나타내었다. 특히, Sn-1.0In으로 도금된 실시예의 솔더볼의 기계적, 전기적, 열적 성질이 뛰어난 것으로 관찰되었다. 따라서, 구리 코어 솔더볼이 고부가가치 반도체 패키지 분야인 차량/항공용 반도체 패키지에 사용되기에 적합한 특성을 지니고 있으며, 국내 자동차/항공업계의 전기, 전자 부품의 신뢰성 향상에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

Claims (7)

  1. 구리를 포함하는 코어와, 주석 및 인듐을 포함하는 도금층을 포함하는 구리 코어의 무연 솔더볼
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도금층의 주석 및 인듐의 조성비율은 각각 50 ~ 99.99중량% 및 0.01 ~ 50.0중량%인 것을 특징으로 하는 구리 코어의 무연 솔더볼.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 코어의 직경은 10 nm ~ 10 mm의 범위인 것을 특징으로 하는 구리 코어의 무연 솔더볼.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 도금층의 두께는 0.1 ~ 900 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 구리 코어의 무연 솔더볼.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 코어는 구리의 함량이 10질량% 이상인 것을 특징으로 하는 구리 코어의 무연 솔더볼.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 코어는 아연, 주석, 납, 니켈, 은, 팔라듐, 안티모니, 알루미늄, 망간, 몰리브덴 및 금 중의 1종 이상과 구리가 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 구리 코어의 무연 솔더볼.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항의 무연 솔더볼을 포함하는 반도체 패키지.
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