KR102408109B1 - 전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법 - Google Patents

전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 무전해 팔라듐 및 니켈 도금을 통한 회로 및 접합부의 전기화학적 마이그레이션 저항성 향상을 도모하고자 한다.
본 발명에 따르면, 솔더 접합부에 무전해 팔라듐 및 니켈 도금을 할 경우 금속의 우수한 방열특성을 유지하면서 동시에 ECM을 방지할 수 있다. 니켈 도금층은 기존의 고분자 몰딩에 비해 우수한 열전도도를 가지므로 접합부에서 방열이 잘되게 하여 전자 제품의 온도가 올라가는 것을 방지할 수 있다. 또한, 니켈은 표면에서 자연적으로 산화피막을 만들어 높은 내부식성을 가지므로 ECM에 저항성을 가진다.

Description

전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법 {ELECTROLESS PLATING OF PALLADIUM AND NICKEL ON SOLDER FOR PREVENTING ELECTROCHEMICAL MIGRATION}
본 발명은 전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법에 관한 것이다. 본 발명에서는 무전해 팔라듐 및 니켈 도금을 통한 회로 및 접합부의 전기화학적 마이그레이션 저항성 향상을 도모하고자 한다.
최근 전자부품의 성능 향상을 위한 고밀도화 및 고집적화로 회로 또는 접합부 간격이 줄어들고 있다. 이에 따라 배선과 접합부 사이에서 전기화학적 마이그레이션 (Electrochemical migration, ECM)으로 인한 문제가 발생해 전자제품의 신뢰성을 저하시킨다. 전자 제품의 내부에 쓰이는 솔더는 경제성, 공정의 용이함으로 인해 선호되는 소재이지만, 습기에 노출되는 환경에서 ECM에 취약하다. 솔더 표면에서 ECM에 의해 수지상(dendrite)이 성장해 단락이 발생해 전자제품의 고장을 유발한다. 이를 방지하기 위해 고분자소재로 솔더를 몰딩한다. 하지만 고분자소재 몰딩은 방열특성이 좋지 않고, 몰딩과 기판 사이의 계면에 크랙이 발생하면 그곳으로 ECM이 발생한다. 따라서 솔더의 ECM 저항성을 향상시키기 위한 새로운 기술이 필요한 실정이다.
솔더링은 금속간 접합부에서 솔더의 용융·응고 과정을 통해 전기적, 기계적 연결을 형성하는 기술이다. 솔더의 성분은 다양하지만 저렴한 원자재 비용, 공정의 용이함, 우수한 접합 특성 등의 이유로 주석 기반 합금을 주로 사용하고 있다. 그러나, 주석은 외부에 노출되어있을 경우 부식에 취약하고, 휘스커(whisker) 등의 문제가 발생한다. 특히 전압이 걸려 있는 경우 습윤한 환경에 노출되면 주석의 이온화가 급격히 일어나 금속 표면에서 주석 이온이 수지상으로 성장하는 ECM이 발생한다. 수지상이 성장해서 다른 회로에 접촉할 경우 전류가 원치 않는 경로로 흐르는 단락회로가 형성되어 전자회로가 정상적으로 작동하지 못하게 한다. 또한, 주석의 급격한 이온화로 국부적인 솔더의 손실이 일어나 접합부의 전기·열전도도가 낮아지고 파괴에 취약해진다.
이를 방지하기위해 언더필 (underfill), 컨포멀 코팅 (conformal coating), EMC(epoxy mold compound) 등의 공법을 이용해 솔더 표면이 외부에 노출되지 않게 하고 있다. 하지만, 이 공법들은 솔더 표면을 열전도도가 낮은 고분자 물질로 덮는 것이기 때문에 전자제품 내에서 발생하는 열이 외부로 방출되는 것을 방해한다. 또한, LED, MLCC의 접합부에서 발열이 심해 몰딩을 적용하지 못하는 문제점이 있다. 또한, 고분자 물질과 기판 사이의 계면에서 약한 결합력과 열팽창계수의 차이로 인한 박리 (delamination)가 발생하여 틈이 생기고, 그 틈을 따라 ECM이 발생한다.
본 발명에서는 솔더 표면에 무전해 팔라듐 및 니켈 도금을 통해 금속의 방열 특성을 유지하면서 ECM이 발생하는 것을 막는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법은, 솔더링 공정에 의해 솔더를 형성하는 단계; 상기 솔더 표면에 팔라듐을 무전해 도금을 진행하여 상기 솔더 표면에 팔라듐 씨드층을 형성하는 단계; 및 상기 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금하는 단계를 포함한다.
상기 솔더 표면에 팔라듐을 무전해 도금을 진행하여 상기 솔더 표면에 팔라듐 씨드층을 형성하는 단계는, 무전해 팔라듐 도금액에 침지시켜 수행된다.
상기 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금하는 단계는, 무전해 니켈-인 도금액에 침지시켜 수행된다.
상기 니켈을 무전해 도금할 때, 상기 팔라듐 씨드층이 촉매로 작용하여 니켈의 도금 속도 및 도금층의 균일성이 향상된다.
상기 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금하는 단계는 80 내지 85℃의 온도 범위에서 수행된다.
상기 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금하는 단계는 4 내지 7의 pH 범위에서 수행된다.
상기 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금하는 단계는 4 내지 5의 pH 범위에서 수행된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 팔라듐 및 니켈이 도금된 솔더 및 솔더 접합부는, 솔더; 상기 솔더 표면에 형성된 팔라듐 도금층; 및 상기 팔라듐 도금층 표면에 형성된 니켈 도금층을 포함한다.
본 발명에 따르면, 솔더 접합부에 무전해 팔라듐 및 니켈 도금을 할 경우 금속의 우수한 방열특성을 유지하면서 동시에 ECM을 방지할 수 있다. 니켈 도금층은 기존의 고분자 몰딩에 비해 우수한 열전도도를 가지므로 접합부에서 방열이 잘되게 하여 전자 제품의 온도가 올라가는 것을 방지할 수 있다. 또한, 니켈은 표면에서 자연적으로 산화피막을 만들어 높은 내부식성을 가지므로 ECM에 저항성을 가진다.
도 1은 솔더에서의 ECM 발생에 대한 메커니즘을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법의 순서도를 도시한다.
도 3은 도금 온도에 따른 도금 속도를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 pH 4.5에서 니켈 무전해 도금을 수행하여 균일한 도금층이 형성된 모습을 도시하고, 도 4b는 pH 8.5에서 니켈 무전해 도금을 수행하여 불균일한 니켈 도금으로 솔더가 노출됨을 나타낸 모습이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 팔라듐 및 니켈이 도금된 솔더의 모식도를 도시한다.
도 6은 니켈이 도금된 솔더 표면의 단면과 EDS line scan으로 분석한 원소의 조성을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 코팅 솔더의 ECM 방지 메커니즘의 모식도를 도시한다.
도 8은 물방울 시험 중 배선 간 저항 변화와 시험 후 배선 사이의 광학현미경 이미지를 도시한다.
도 9는 물방울 시험 후 배선 사이 이미지를 도시한다.
도 10은 물방울 시험 후 배선 표면 이미지를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서는 솔더 표면에 무전해 도금(electroless plating) 방식으로 니켈 도금층을 형성하여 솔더가 외부에 노출되지 않는 구조를 제작했다. 니켈은 내식성 피막을 형성하므로 부식에 강해 ECM을 방지할 수 있다. 또한, 열전도도가 좋은 금속소재이므로 전자회로 내에서 발생하는 열을 쉽게 방출할 수 있다.
본 발명을 통해 니켈 도금층을 포함한 솔더 접합부를 적용했을 때, 솔더 표면이 외부에 노출되는 것을 방지해 부식에 강한 고신뢰성 접합부를 확보할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법의 순서도를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법은, 솔더링 공정에 의해 솔더를 형성하는 단계(S 210); 상기 솔더 표면에 팔라듐을 무전해 도금을 진행하여 상기 솔더 표면에 팔라듐 씨드층을 형성하는 단계(S 220); 및 상기 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금하는 단계(S 230)를 포함한다.
S 210 단계에서는 솔더가 필요한 부위에 솔더링 공정에 의해 솔더를 형성하게 된다. 예를 들어 접합체와 기판, 접합체와 접합체 사이에 솔더가 형성될 수 있으며, 이러한 솔더는 스크린 프린팅 방식을 이용해 솔더 페이스트를 스크린 프린팅한 이후 리플로우 프로세스를 통해 솔더링을 진행할 수 있다.
S 220 단계에서는 상기 솔더 표면에 팔라듐을 무전해 도금을 진행하여 상기 솔더 표면에 팔라듐 씨드층을 형성한다. 이 단계는 무전해 팔라듐 도금액에 솔더가 형성된 기판 등을 침지시켜 수행된다.
팔라듐 씨드층을 형성함에 의해 S 230 단계에서 니켈을 무전해 도금할 때, 팔라듐 씨드층이 촉매로 작용하여 니켈의 도금 속도 및 도금층의 균일성이 향상된다.
S 230 단계에서는 상기 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금한다. 이 단계는 무전해 니켈-인 도금액에 팔라듐이 도금된 솔더를 침지시켜 수행된다.
무전해 니켈 도금 공정은 전해 니켈 도금 공정에 비해 균일한 도금층을 외부 전원 없이 대량 생산가능하다는 장점이 있지만, 도금 속도가 상대적으로 느리다는 문제점이 있다. 그러나 팔라듐을 얇게 도금하여 시드 레이어 (seed layer) 형성 후 니켈 도금을 실시하면 팔라듐 시드가 촉매로 작용하면서 니켈 도금의 속도가 빨라지고 도금층이 균일하게 형성된다.
본 발명을 통해 니켈 도금층을 포함한 솔더 접합부를 적용했을 때, 솔더 표면이 외부에 노출되는 것을 방지해 부식에 강한 고신뢰성 접합부를 확보할 수 있다.
팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금할 때, 80 내지 85℃의 온도 범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 도 3은 도금 온도에 따른 도금 속도를 나타내는 그래프이다. 도 3에서 보는 것처럼, 75℃ 이하의 온도 범위에서는 도금이 되지 아니함을 알 수 있으며, 80℃ 이상의 온도에서부터 도금 속도가 상승함을 알 수 있다. 그러나, 도금액은 DI water 기반이기 때문에 100℃ 정도의 끓는점을 갖고 있고, 따라서 온도가 높아질수록 기화가 활발히 일어나기 때문에 도금액의 양이 줄어들고 재사용이 불가능하여 농도가 변하게 되어 도금 조건이 바뀌게 되는 문제점이 발생된다. 또한, 기화가 활발하게 일어나면 도금액 내부에 기포가 증가하며, 이러한 기포는 피도금면에 부착되어 도금을 방해하는 문제점을 일으킨다. 이러한 점을 고려할 때, 기화가 활발하게 일어나지 않으면서 도금 속도도 빠르게 진행이 가능한 최적의 도금 온도는 80 내지 85℃임을 알 수 있다.
또한, 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금할 때, pH 범위는 4 내지 7의 범위에서 수행되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 4 내지 5의 범위이다.
도 4a는 pH 4.5에서 니켈 무전해 도금을 수행하여 균일한 도금층이 형성된 모습을 도시하고, 도 4b는 pH 8.5에서 니켈 무전해 도금을 수행하여 불균일한 니켈 도금으로 솔더가 노출됨을 나타낸 모습이다. 염기성 도금액에서는 균일한 Ni 도금이 불가능하여 솔더가 노출된 부분이 생기는 문제점이 있음을 확인하였고, 노출된 솔더에서 ECM이 집중적으로 발생하므로 ECM 저항성 향상 효과는 산성 도금액 조건에서만 유효함을 알 수 있었다. 특히, 염기성 도금액에서 도금을 진행할 경우, 솔더에만 선택적으로 도금되지 않고 PCB 표면에 일부 도금되어 솔더 접합부간 short-circuit 불량을 야기할 수 있다. 따라서, pH는 산성의 범위임이 바람직하고, 4 내지 7, 더욱 바람직하게는 4 내지 5의 범위이다.
본 발명은 기존의 솔더에서의 고려사항인 기판과 솔더 사이의 계면에 대한 문제점 해결에 대한 것이 아니고, 솔더의 노출면에 대한 도금 처리에 대한 내용이며, 구체적으로 솔더와 접합체의 접합 전에 솔더가 접합체와 맞닿는 부분이 아닌 기판과 칩의 접합이 끝난 후 외부에 노출되어 있는 솔더의 표면이 타겟 대상이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 팔라듐 및 니켈이 도금된 솔더의 모식도를 도시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 팔라듐 및 니켈이 도금된 솔더는, 솔더; 상기 솔더 표면에 형성된 팔라듐 도금층; 및 상기 팔라듐 도금층 표면에 형성된 니켈 도금층을 포함한다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
본 발명의 실험은 가장 일반적으로 사용되는 Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) 솔더를 페이스트 형태로 제조하여 진행하였다. 기판은 IPC-TM-650에 근거하여 ECM에 대한 신뢰성 평가를 진행하기 위하여 comb type으로 제작된 인쇄회로기판(PCB)에 electroless nickel immersion gold (ENIG) 구조로 표면처리하여 제작하였다. 실험 프로세스를 정리하면 다음과 같다.
1) Screen printing
- SAC305 (10 ㎛ diameter) solder paste
- ENIG surface
- 318 ㎛ space Comb pattern PCB
2) Reflow process
3) Deflux 10 min, washing 5 min in DI water
4) Electroless Pd, Ni plating
5) Water drop test
- DI water, 3 V, 5 min
기판 위에 SAC305 솔더 페이스트를 도포하고, 리플로우 공정을 통해 솔더링하였다. 솔더링 된 샘플은 무전해 팔라듐 도금액에 2분 동안 침지시켜 솔더 표면에 팔라듐 seed layer를 형성했다. 팔라듐 도금이 완료된 샘플은 세척 후 무전해 니켈-인 도금액에 침지시켜 2차 도금을 실시하였다. 앞서 형성된 팔라듐 도금층은 솔더 표면에서 균일한 핵(nuclei)들을 형성시키므로, 무전해 니켈 도금 중 균일한 핵 성장을 유발해 평탄한 니켈 도금층이 형성되게 한다. 무전해 니켈 도금의 촉매로 작용하여 도금 속도를 향상시킨다. 2차 도금 중 도금액은 85℃로 유지하고 200 rpm으로 교반하며 25분 동안 진행되었다.
도 6은 니켈이 도금된 솔더 표면의 단면과 EDS line scan으로 분석한 원소의 조성을 나타낸다.
도금이 완료된 후, ECM에 대한 저항성을 평가하기 위해 물방울시험(water drop test)을 실시했다. Comb pattern의 회로 위에 탈이온수를 떨어트린 후, 3V의 전압을 인가하여 배선 사이의 저항 변화와 수지상 성장을 확인하였다.
도 8은 물방울 시험 중 배선 간 저항 변화와 시험 후 배선 사이의 광학현미경 이미지를 도시하고, 도 9는 물방울 시험 후 배선 사이 이미지를 도시하며, 도 10은 물방울 시험 후 배선 표면 이미지를 도시한다.
기존 SAC305 배선의 경우 양극에서 주석이 급격히 탈이온수로 이온화되며 회로에 국부적인 파괴가 발생하였다. 주석 이온은 전위차에 의해 음극으로 이동하고 환원되어 수지상을 형성한다. 수지상은 음극에서 양극으로 향하여 성장하므로 양극에 접촉하여 배선 간 단락을 유발한다. 하지만 니켈이 코팅된 솔더의 경우, 표면의 니켈 코팅층이 내부의 솔더가 탈이온수와 접촉하지 않게 하여 주석의 이온화가 일어나지 않았다. 니켈은 자연적으로 표면에 산화피막을 형성하므로 내부식성이 강해 이온화되기 힘들고 배선의 손실이 거의 일어나지 않았다. 양극에서 일부 이온화 된 니켈은 음극으로 이동하기 전에 산소와 결합하여 니켈 산화물(NiO, NiO2)을 형성하였다. 니켈 산화물은 비전도성 물질이므로 니켈 산화물의 형성에 의해 배선 간 저항의 변화는 발생하지 않았다.
본 실험에서는 솔더 표면에 무전해 팔라듐 및 니켈 도금을 통해 균일한 니켈 코팅층을 형성하였다. 니켈 코팅층은 솔더의 이온화를 효과적으로 방지해 ECM이 일어나지 않았고, 회로의 손실 및 저항 변화가 발생하지 않아 신뢰성을 향상시켰다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 솔더링 공정에 의해 솔더를 형성하는 단계;
    상기 솔더 표면에 팔라듐을 무전해 도금을 진행하여 상기 솔더 표면에 팔라듐 씨드층을 형성하는 단계;
    상기 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금하는 단계를 포함하고,
    상기 니켈을 무전해 도금할 때, 상기 팔라듐 씨드층이 촉매로 작용하여 니켈의 도금 속도 및 도금층의 균일성이 향상되며,
    솔더 표면에 도금된 니켈 도금층은 솔더 표면이 외부에 노출되는 것을 방지하여 산화피막을 형성함에 의해 내부식성을 나타내는,
    전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 솔더 표면에 팔라듐을 무전해 도금을 진행하여 상기 솔더 표면에 팔라듐 씨드층을 형성하는 단계는,
    무전해 팔라듐 도금액에 침지시켜 수행되는,
    전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금하는 단계는,
    무전해 니켈-인 도금액에 침지시켜 수행되는,
    전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금하는 단계는 80 내지 85℃의 온도 범위에서 수행되는,
    전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금하는 단계는 4 내지 7의 pH 범위에서 수행되는,
    전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 팔라듐 씨드층이 표면에 형성된 솔더 표면에 니켈을 무전해 도금하는 단계는 4 내지 5의 pH 범위에서 수행되는,
    전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 솔더를 무전해 팔라듐 및 니켈 도금 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되고,
    전기화학적 마이그레이션 방지를 위해 팔라듐 및 니켈이 도금된,
    솔더 및 솔더 접합부.
  9. 삭제
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