The effects of printed circuit board electroless nickel immersion gold (ENIG) and organic solderability preservative (OSP) surface finishes on the electromigration reliability and shear strength of Sn-3.5Ag Pb-free solder bump were systematically investigated. In-situ annealing tests were performed in a scanning electron microscope chamber at 130, 150, and 170˚C in order to investigate the growth kinetics of intermetallic compound (IMC). Electromigration lifetime and failure modes were investigated at 150˚C and 1.5×105A/cm2, while ball shear tests and failure mode analysis were conducted under the high-speed conditions from 10 mm/s to 3000 mm/s. The activation energy of ENIG and OSP surface finishes during annealing were evaluated as 0.84 eV and 0.94 eV, respectively. The solder bumps with ENIG surface finish showed longer electromigration lifetime than OSP surface finish. Shear strengths between ENIG and OSP were similar, and the shear energies decreased with increasing shear speed. Failure analysis showed that electrical and mechanical reliabilities were very closely related to the interfacial IMC stabilities.

Cu 칩의 Cu 패드 위에 솔더 플립칩 공정에 응용하기 위한 무전해 구리/니켈 UBM (Under Bump Metallurgy) 층을 형성하고 그 특성을 조사하였다. Sn-36Pb-2Ag 솔더 범프와 무전해 구리 및 무전해 니켈 충의 사이의 계면 반응을 이해하고, UBM의 종류와 두계에 따른 솔더 범프 접합(joint) 강도 특성의 변화를 살펴보았다. UBM의 종류에 따른 계면 미세 구조, 특히 금속간 화합물 상 및 형태가 솔더 접합 강도에 크게 영향을 미치는 것을 확인하였다. 무전해 구리 UBM의 경우에는 솔더와의 계면에서 연속적인 조가비 모양의 Cu6Sn5상이 빠르게 형성되어 파단이 이 계면에서 발생하여 낮은 범프 접합 강도 값을 나타내었다. 무전해 니켈/무전해 구리 UBM에서는 금속간 화합물 성장이 느리고, 비정질로 도금되는 무전해 Ni의 륵성으로 인해 금속간 화합물과의 결정학적 불일치가 커져 다각형의 Ni3Sn4상이 형성되어 무전해 구리 UBM의 경우에 비해 범프 접합 강도가 높게 나타났다. 따라서 무전해 도금을 이용하여 Cu 칩의 Cu pad 위에 솔더 플립칩 공정에 응용하기 위한 UBM 제작시 무전해 니켈/무전해 구리 UBM을 선택하는 것이 접합 강도 측면에서 유리하다는 것을 확인하였다.다.

솔더 범프를 사용하는 플립 칩 접속기술에서 범프와 칩 사이에 위치하는 금속 충들의 조합을 UBM(Under Bump Metallurgy)라고 부르며 이 UBM을 어떤 조합으로 사용하는 가에 따라 접속의 안정성이 크게 좌우된다. 본 연구에서는 UBM중에서 솔더 접착 층으로 사용되는 구리 층의 두께를 1μm와 5μm로 하는 한편 barrier 층으로 사용되는 금속 층을 Ti, Ni, Pd으로 변화시키면서 이들 UBM과 공정 납-주석 사이의 계면반응을 살펴보았다. 이를 위해 100μm 크기의 솔더 범프를 전해도금법을 사용하여 제작하고 리플로 횟수와 시효시간에 따른 각 UBM에서의 금속간 화합물의 성장을 관찰하였다. Cu6Sn5 η'-상 금속간 화합물이 모든 조건에서 형성되었고 Cu층의 두께가 5μm로 두꺼운 경우에는 Cu3Sn ε-상도 관찰되었다. Pd을 사용한 UBM 구조에서는 시효 처리시에 Cu6Sn5 상 아래쪽에 PdSn4상이 형성되었다. 또한 이들 계면에서의 금속간 화합물의 성장은 솔더 범프의 접속강도 값과 밀접한 관계를 가진다.

Flip chip bonding에 무전해도금기술을 적용하여 solder bumper형성의 최적 조건을 규명하였다. 시편은 AI 패턴된 4 inch Si 웨이퍼를 사용하고, 활성화 처리시 zincate 용액을 사용하였으며, 무전해 도금은 Ni-P 도금액고 Au immersion 용액을 사용하였다. 활성화 물질의 AI 침식정도 및 Zn 석출 정도를 알아보기 위하여 EDS측정을 하였고, 각 공전에서의 표면형상을 알아보기 위해 SEM 분석을 하였다. 열처리 후 금도금층의 주 결정성장 방향은 XRD를 이용하여 측정하였다. 산처리에서 질산과 황산 중 질산에 의한 산화막제거 정도가 더 우수하게 나타났다. 활성화 처리시 zincate 용액을 희석시킬수록 입자 크기가 미세해 지고, 활성화 물질은 pH 13-13.5, 상온, 농도 15-25%의조건에서 크기가 작은 Zn 활성화 물질이 균일하게 분포하였다. Ni과 Auan전해도금 속도는 온도와 pH가 증가할수록 증가하였다. Ni 무전해 도금 조건은 pH 4.5, 온도 90˚C, 시간 20분이며, Au 무전해 도금조건은 pH7, 온도 80˚C, 시간 10분이었다. 상온에서 400˚C까지 30분동안 열처리 한 후 금도금막의 결정 방향은 pH 7, 온도 80˚C, 시간 10분이었다. 상온에서 400˚C까지 30분 동안 열처리 한 후 금도금막의 결정 방향은 pH 7에서 (111), pH 9에서는 (200)과 (111)이 주 peak로 나타났으며, 열처리에 의한 결정 방향의 변화는 없었다. 전체 공정에서 최종적인 표면 형상에 영향을 주는 단계는 활성화 처리로서 flip chip의 bonding layer형성에 가장 중요한 요소임을 알 수 있었다.

LCD 모듈을 위한 실장 기술인 Chip on Glass 공정 기술을 개발함에 있어 구동 IC와 기판d의 Al 전극을 연결하기 위하여 기존의 기술과의 연관성 및 공정의 연속성, 제조단가등을 고려하여 Pb-Sn 범프를 사용하고자 하였으며 이를 위해 Al 금속 박막위에 니켈 무전해 도금하는 방법을 연구 하였다. Al 전극에 무전해 니켈 도금하기 위해서는 광레지스트 차폐막을 손상하지 않는 전처리 방법이 필요하기 때문에 전처리 방법으로서 알칼리 아연산염 처리법과 불화물을 이용한 아연산염 처리법을 선택하여 실시하였다. 이 가운데 산성불화암모늄(NH4HF)을 1.5 g/ℓ 함유하고 황산아연(ZnSO4)을 100 g/ℓ 함유한 산성 아연산염 용액에서는 광레지스트 차폐막이 손상되지 않았으며 처리시간을 적절히 조절함으로써 알루미늄 박막상에 선택적으로 니켈 무전해 도금을 할 수 있었다. 아연산염 응액중의 첨가제와 무전해 도금액 중의 억제제인 Thiourea는 도금층의 평활도를 높이는 역할을 하였다. 또한 아연산염 처리를 하기 전에 산세 처리를 함으로써 도금층의 균일성을 향상시킬 수 있었다.