Flip Chip Solder Joint Reliability of Sn-3.5Ag Solder Using Ultrasonic Bonding - Study of the interface between Si-wafer and Sn-3.5Ag solder

초음파를 이용한 Sn-3.5Ag 플립칩 접합부의 신뢰성 평가 - Si웨이퍼와 Sn-3.5Ag 솔더의 접합 계면 특성 연구

Ultrasonic soldering of Si-wafer to FR-4 PCB at ambient temperature was investigated. The UBM of Si-substrate was Cu/ Ni/ Al from top to bottom with thickness of $0.4{\mu}m,\;0.4{\mu}m$, and $0.3{\mu}m$ respectively. The pad on FR-4 PCB comprised of Au/ Ni/ Cu from top to bottom with thickness of $0.05{\mu}m,\;5{\mu}m$, and $18{\mu}m$ respectively. Sn-3.5wt%Ag foil rolled to $100{\mu}m$ was used for solder. The ultrasonic soldering time was varied from 0.5 s to 3.0 s and the ultrasonic power was 1,400 W. The experimental results show that a reliable bond by ultrasonic soldering at ambient temperature was obtained. The shear strength increased with soldering time up to a maximum of 65 N at 2.5 s. The strength decreased to 34 N at 3.0 s because cracks were generated along the intermetallic compound between Si-wafer and Sn-3.5wt%Ag solder. The Intermetallic compound produced by ultrasonic soldering between the Si-wafer and the solder was $(Cu,Ni)_{6}Sn_{5}$.

Si-웨이퍼와 FR-4 기판을 상온에서 초음파 접합한 후, 접합부의 신뢰성을 평가하였다. Si-웨이퍼 상의 UBM(Under Bump Metallization)은 위에서부터 Cu/ Ni/ Al을 각각 $0.4{\mu}m,\;0.4{\mu}m,\;0.3{\mu}m$의 두께로 전자빔으로 증착하였다. FR-4 기판위의 패드는 위에서부터 Au/ Ni/ Cu를 각각 $0.05{\mu}m,\;5{\mu}m,\;18{\mu}m$의 두께로 전해 도금하여 형성하였다. 접합용 솔도로는 Sn-3.5wt%Ag을 두께 $100{\mu}m$으로 압연하여 사용하였다. 시편의 초음파 접합을 위하여 초음파 접합 시간을 0.5초에서 3.0초까지 0.5초 단위로 증가시키면서 상온에서 접합하였으며, 이 때 출력은 1,400W로 하였다. 실험 결과, 상온 초음파 접합법에 의해 신뢰성 있는 'Si-웨이퍼/솔더/FR-4기판' 접합부를 얻을 수 있었다. 접합부의 전단 강도는 접합 시간에 따라 증가하여 접합 시간 2.5초에서 65N으로 가장 높게 측정되었다. 이 후 접합 시간 3.0초에서는 전단 강도가 34N으로 감소하였는데, 이는 초음파 접합시간이 과도해지면서 Si-웨이퍼와 솔더 사이의 계면을 따라 균열이 발생되었기 때문으로 판단된다. 초음파 접합에 의해 Si-웨이퍼와 솔더 사이에서 생성된 금속간 화합물은 ($(Cu,Ni)_{6}Sn_{5}$)으로 확인되었다.