대한용접접합학회 2002년도 Proceedings of the International Welding/Joining Conference-Korea
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pp.456-462
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2002
In the present work, a low cost and fine pitch bumping process by electroless Ni/immersion Au UBM (under bump metallurgy) and stencil printing for the solder bump on the Al pad is discussed. The Chip used this experimental had an array of pad 14x14 and zincate catalyst treatment is applied as the pretreatment of Al bond pad, it was shown that the second zincating process produced a dense continuous zincating layer compared to first zincating. Ni UBM was analyzed using Scanning electron microscopy, Energy dispersive x-ray, Atomic force microscopy, and X-ray diffractometer. The electroless Ni-P had amorphous structures in as-plated condition. and crystallized at 321 C to Ni and Ni$_3$P. Solder bumps are formed on without bridge or missing bump by stencil print solder bump process.
한국마이크로전자및패키징학회 2004년도 국제표면실장 및 인쇄회로기판 생산기자재전:전자패키지기술세미나
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pp.37-59
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2004
In the case of Ni/Au finished pad on the package side, the solder joint of SnAgCu system can bring brittle fracture under impact load such as drop test. Therefore, it's difficult to prevent the brittle fracture of lead-free solder, by controlling Cu content. The failure locus existing on the interface between $(Ni,Cu)_3Sn_4\;and\;(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMC layers must be changed to other site in order to avoid brittle fracture due to impact load. It was not found any clear evidence that there were two IMC layers exist. But it was strongly assumed these were two layers which have different Cu-Ni composition. From the above analysis it was assumed that Cu atom in the solder alloy or substrate seemed to affect IMC composition and cause to IMC brittle fracture.
The effects of aging time on the microstructure and shear strength of the Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC)/Ag pad/Electroless Nickel Immersion Gold (ENIG)/BGA solder joints were investigated through isothermal aging at $150^{\circ}C$ for 1000 h with conventional Sn-37Pb and Sn-3Ag-0.5Cu. $Ni_3Sn_4$ intermetallic compound (IMC) layers was formed at the interface between Sn-37Pb solder and LTCC substrate as-reflowed state, while $(Ni,Cu)_3Sn_4$ IMC layer was formed between Sn-3Ag-0.5Cu solder and LTCC substrate. Additional $(Cu,Ni)_6Sn_5$ layer was found at the interface between the $(Ni,Cu)_3Sn_4$ layer and Sn-3Ag-0.5Cu solder after aging at $150^{\circ}C$ for 500 h. Thickness of the IMC layers increased and coarsened with increasing aging time. Shear strength of both solder joints increased with increasing aging time. Failure mode of BGA solder joints with LTCC substrate after shear testing revealed that shear strength of the joints depended on the adhesion between Ag metallization and LTCC. Fracture mechanism of Sn-37Pb solder joint was a mixture of ductile and pad lift, while that of Sn-3Ag-0.5Cu solder joint was a mixture of ductile and brittle $(Ni,Cu)_3Sn_4$ IMC fracture morphology. Failure mechanisms of LTCC/Ag pad/ENIG/BGA solder joints were also interpreted by finite element analyses.
The interactions between Cu/Sn-Ag-(Cu) and Sn-Ag-(Cu)/Ni interfacial reactions were studied during isothermal aging at $150^{\circ}C$ for up to 1000h using Cu(ENIG)/Sn-3.5Ag-(0.7Cu)/Cu(ENIG) sandwich solder joints. A typical scallop-type Cu-Sn intermetallic compound (IMC) layer formed at the upper Sn-Ag/Cu interface after reflowing, whereas a $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMC layer was observed at the Sn-Ag/ENIG interface. The Cu in the $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMC layer formed on the Ni side was sourced from the dissolution of the opposite Cu metal pad or Cu-Sn IMC layer. When the dissolved Cu arrived at the interface of the Ni pad, the $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMC layer formed on the Ni interface, preventing the Ni pad from reacting with the solder. Although a long isothermal aging treatment was performed at $150^{\circ}C$, no Ni was detected in the Cu-Sn IMC layer formed on the Cu side. Compared to the single Sn-Ag/ENIG solder joint, the formation of the $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMC layer of the Cu/sn-Ag/ENIG sandwich joint effectively retarded the Ni consumption from the electroless Ni-P layer.
Thermal fatigue strength of the solder joints is the most critical issue for TSOP(Thin Small Outline Package) because the leads of this package are extremely short and thermal deformation cannot be absorbed by the deflection of the lead. And the TSOP body can be subject to early fatigue failures in thermal cycle environments. This paper was discussed distribution of thermal stresses at near the joint between silicon chip and die pad and investigated their reliability of solder joints of TSOP with 42 alloy clad lead frame on printed circuit board through FEM and 3 different thermal cycling tests. It has been found that the stress concentration around the encapsulated edge structure for internal crack between the silicon chip and Cu alloy die pad. And using 42 alloy clad, The reliability of TSOP body was improved. In case of using 42 alloy clad die pad(t=0.03mm). $$\sigma$_{VMmax}$ is 69Mpa. It is showed that 15% improvement of the strength in the TSOP body in comparison with using Cu alloy die pad $($\sigma$_{VMmax}$=81MPa). In solder joint of TSOP, the maximum equivalent plastic strain and Von Mises stress concentrate on the heel of solder fillet and crack was initiated in it's region and propagated through the interface between lead and solder. Finally, the modified Manson-Coffin equation and relationship of the ratio of $N_{f}$ to nest(η) and cumulative fracture probability(f) with respect to the deviations of the 50% fracture probability life $(N_{f 50%})$ were achieved.
한국마이크로전자및패키징학회 2001년도 The IMAPS-Korea Workshop 2001 Emerging Technology on packaging
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pp.119-126
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2001
Chip-on-glass(COG) mounting of area array electronic packages was attempted by heating the rear surface of a contact pad film deposited on a glass substrate. The pads consisted of an adhesion(i.e. Cr or Ti) and a top coating layer(i.e. Ni or Cu) was heated by an UV laser beam transmitted through the glass substrate. The laser energy absorbed on the pad raised the temperature of a solder ball which is in physical contact with the pad, forming a reflowed solder bump. The effects of the adhesion and top coating layer on the laser reflow soldering were studied by measuring temperature profile of the ball during the laser heating process. The results were discussed based on the measurement of reflectivity of the adhesion layer. In addition, the microstructures of solder bumps and their mechanical properties were examined.
In this paper, global full 3D finite element analysis fatigue models are constructed for flip-chip BGA on board to predict the creep fatigue life of solder joints during the thermal cycling test. The fatigue model applied is based on Darveaux's empirical equation approach with non-linear viscoplastic analysis of solder joints. It was estimated by the creep life as the variations of the four kinds of thermal cycling test conditions, pad structure, composition and size of solder ball. The shortest fatigue life of results was obtained at the thermal cycling testing condition of -65℃ ∼ 150℃. It was increased about 3.5 times in comparison with that of 0℃ ∼ 100℃. As the change of pad structure at the same other conditions, the fatigue life of SMD structure increased about 5.7% as compared with NSMD structure. Consequently, it was confirmed that the fatigue life became short as the creep strain energy density increased in solder joint.
With the contact pad consisted of $0.5{\mu}{\textrm}{m}$$Au/5{\mu}{\textrm}{m}$ Ni/Cu layers on a conventional ball grid array(BGA) substrate, metallurgical reaction properties between the pad and In-15(wt.%)Pb-5Ag solder alloy were studied after reflow and solid aging. In as-reflow condition, thin AuIn$_2$or Ni$_{28}$In$_{72}$ intermetallic layer was formed at the solder/pad interface according to reflow time. Dissolution of the Au layer into the molten solder was remarkably limited in comparison with eutectic Sn-37Pb alloy. After solid aging of 300 hrs, thickness of In-Ni layer increased to about $2{\mu}{\textrm}{m}$ in the both as-reflow case. It was observed that In atoms diffuse through the AuIn$_2$phase to react with underlaying Ni layer. The metallurgical reaction properties between In-l5Pb-7Ag alloy and Au/Ni surface finish were analysed to result in suppression of Au-embrittlement in the solder joints.
Novel low-volume solder-on-pad (SoP) process is proposed for a fine pitch Cu pillar bump interconnection. A novel solder bumping material (SBM) has been developed for the $60{\mu}m$ pitch SoP using screen printing process. SBM, which is composed of ternary Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) solder powder and a polymer resin, is a paste material to perform a fine-pitch SoP in place of the electroplating process. By optimizing the volumetric ratio of the resin, deoxidizing agent, and SAC305 solder powder; the oxide layers on the solder powder and Cu pads are successfully removed during the bumping process without additional treatment or equipment. The Si chip and substrate with daisy-chain pattern are fabricated to develop the fine pitch SoP process and evaluate the fine-pitch interconnection. The fabricated Si substrate has 6724 under bump metallization (UBM) with a $45{\mu}m$ diameter and $60{\mu}m$ pitch. The Si chip with Cu pillar bump is flip chip bonded with the SoP formed substrate using an underfill material with fluxing features. Using the fluxing underfill material is advantageous since it eliminates the flux cleaning process and capillary flow process of underfill. The optimized interconnection process has been validated by the electrical characterization of the daisy-chain pattern. This work is the first report on a successful operation of a fine-pitch SoP and micro bump interconnection using a screen printing process.
Bonding properties of epoxy-containing solder joints were investigated by a high temperature aging test. Specimens were prepared by bonding an R3216 standard chip resistor to an OSP-finished PCB by a reflow process with two basic types of solder (SAC305 & Sn58Bi) pastes and two epoxy-solder (SAC305+epoxy & Sn58Bi+epoxy) pastes. In all epoxy solder joints, an epoxy fillet was formed in the hardened epoxy, lying around the outer edge of the solder joint, between the chip and the Cu pad. In order to analyze the bonding characteristics of solder joints at high temperatures, a high-temperature aging test at $150^{\circ}C$ was carried out for 14 days (336 h). After aging, the intermetallic compound $Cu_6Sn_5$ was found to have formed in the solder joint on the Cu pad, and the shear stress on the conventional solder joint was reduced by a significant amount. The reason that the shear force did not decrease much, even though in epoxy solder, was thatbecause epoxy hardened at the outer edge of the supported solder joints. Using epoxy solder, strong bonding behavior can be ensured due to this resistance to shear force, even in metallurgical changes such as those where intermetallic compounds form at solder joints.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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