KR101447505B1 - Solder joint structure having tooth-like structure with excellent efficiency for suppressing the formation of kirkendall voids and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

직류 전해도금법을 이용하여 구리-니켈 치아조직층을 형성한 후, 솔더링 공정을 수행함으로써, 커켄달 보이드의 생성 억제 효과가 우수한 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조는 기판의 패드를 구성하는 구리-니켈 치아조직층; 상기 구리-니켈 치아조직층 상에 접속된 솔더; 및 상기 구리-니켈 치아조직층과 솔더 간의 계면에 형성되어, 커켄달 보이드(Kirkendall void)의 생성을 억제하는 금속간 화합물층;을 포함하며, 상기 구리-니켈 치아조직층은 구리(Cu) : 50 ~ 65 중량% 및 니켈(Ni) : 35 ~ 50 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
A solder joint structure having a tooth structure excellent in the effect of inhibiting the formation of a curcaldoid void by performing a soldering process after forming a copper-nickel tooth tissue layer using a direct current electrolytic plating method, and a method of manufacturing the same.
A solder joint structure having a tooth structure according to an embodiment of the present invention includes a copper-nickel dental tissue layer constituting a pad of a substrate; A solder connected on the copper-nickel tooth tissue layer; And an intermetallic compound layer formed at an interface between the copper-nickel tooth tissue layer and the solder and inhibiting the generation of a Kirkendall void, wherein the copper-nickel tooth tissue layer comprises copper (Cu): 50 to 65 By weight and nickel (Ni): 35 to 50% by weight.

Description

커켄달 보이드의 생성 억제 효과가 우수한 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조 및 그 제조 방법{SOLDER JOINT STRUCTURE HAVING TOOTH-LIKE STRUCTURE WITH EXCELLENT EFFICIENCY FOR SUPPRESSING THE FORMATION OF KIRKENDALL VOIDS AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solder joint structure having a tooth structure excellent in suppressing the formation of a cupolaoid void and a method of manufacturing the solder joint structure.

본 발명은 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직류 전해도금법을 이용하여 구리-니켈 치아조직층을 형성한 후, 솔더링 공정을 수행함으로써, 커켄달 보이드(Kirkendall void)의 생성 억제 효과가 우수한 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a solder joint structure having a tooth structure and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a solder joint structure having a tooth structure, and more particularly, to a solder joint structure having a tooth structure, ) And a method of manufacturing the same.

일반적으로, 구리층 상에 솔더볼 또는 솔더 페이스트를 리플로우시키는 접속방법은 표면실장기술(surface mount technology: SMT)에서 가장 보편적으로 활용되고 있다. 그러나, 구리층 상에 솔더볼 또는 솔더 페이스트를 솔더링할 경우, 충분한 고상 시효 시에 구리층과 솔더 간의 계면에서 ε-phase의 Cu3Sn 조직을 갖는 금속간 화합물층의 생성으로 커켄달 보이드(Kirkendall voids)가 생성되는 문제가 있다.In general, the connection method of reflowing solder balls or solder paste onto a copper layer is most commonly utilized in surface mount technology (SMT). However, when solder balls or solder paste are soldered onto the copper layer, Kirkendall voids are formed by the formation of an intermetallic compound layer having an epsilon-phase Cu 3 Sn structure at the interface between the copper layer and the solder at a sufficient solid- Is generated.

이러한 커켄달 보이드는 상호 간에 서로 연결되는 형태로 성장하기 때문에 구리층과 솔더 간의 접합 부분인 솔더 조인트에서의 기계적 충격 특성 등의 신뢰성에 악영향을 미친다.
Since such a keel-bonded void grows in a mutually interconnected manner, the reliability of the mechanical impact characteristic at the solder joint, which is a joint portion between the copper layer and the solder, is adversely affected.

특히, 고밀도 기판이나 인쇄회로기판 산업에서 구리 도금을 수행하는 것이 일반화되고, 세미 어디티브(semi-additive) 또는 어디티브 법으로 기판(substrate) 또는 PCB(printed circuit board) 상에 구리 미세회로를 형성하는 기술이 일반적으로 사용됨에 따라 커켄달 보이드에 의한 접합부의 신뢰성 감퇴는 앞으로 점점 더 광범위하게 발생될 수 있다. 따라서, 최근에는 이러한 커켄달 보이드의 생성을 억제하기 위한 전해도금법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In particular, it is common to perform copper plating in a high-density substrate or printed circuit board industry, and to form copper microcircuits on a substrate or printed circuit board (PCB) by a semi-additive or permanent method. The reliability of the joints due to the curtain wall void can become increasingly widespread in the future. Therefore, in recent years, researches on electrolytic plating methods for suppressing the formation of such a curtain-like void have been actively conducted.

종래의 연구 결과, 구리-아연 합금층을 이용하여 솔더 접합 구조를 형성할 경우, 무연 솔더와 구리층 간의 계면에서의 금속간 화합물의 성장 및 금속간 화합물에서의 커켄달 보이드의 성장을 억제하는 데 성공적이라고 보고된 바가 있다. 그러나, 이러한 구리-아연 합금층을 이용한 솔더 접합 구조는 젖음성 감소 및 갈바닉 부식 등과 같은 문제가 여전히 남아 있는 상황이다. 더욱이, 아연은 고밀도 기판이나 인쇄회로기판 산업에서 일반적으로 사용되지 않는 물질로 여겨지고 있다.
Conventional studies have shown that when a solder joint structure is formed using a copper-zinc alloy layer, the growth of the intermetallic compound at the interface between the lead-free solder and the copper layer and the growth of the interconnected voids in the intermetallic compound are suppressed It has been reported successful. However, the solder joint structure using such a copper-zinc alloy layer still has problems such as reduced wettability and galvanic corrosion. Moreover, zinc is considered a material that is not commonly used in high density substrates or in the printed circuit board industry.

관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허 제10-0474207호(2005.03.11 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 웨이퍼 레벨 패키지의 공기 패드 솔더 접합 구조 및 그 제조 방법에 대하여 기재되어 있다.
A related prior art is Korean Patent No. 10-0474207 (published on Mar. 11, 2005), which discloses an air pad solder bonding structure of a wafer level package and a manufacturing method thereof.

본 발명의 목적은 직류 전해 도금법을 이용하여 구리-니켈 치아조직층을 제조함으로써, 고상 시효 동안 솔더 접합 부위에서 커켄달 보이드의 생성을 억제할 수 있는 케켄달 보이드의 생성 억제 효과가 우수한 솔더 접합 구조 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
An object of the present invention is to provide a solder joint structure and a solder joint structure excellent in the effect of inhibiting the formation of ketaldal voids capable of inhibiting the formation of a kenderald void at a solder joint region during solid phase aging by producing a copper- And a manufacturing method thereof.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조는 기판의 패드를 구성하는 구리-니켈 치아조직층; 상기 구리-니켈 치아조직층 상에 접속된 솔더; 및 상기 구리-니켈 치아조직층과 솔더 간의 계면에 형성되어, 커켄달 보이드(Kirkendall void)의 생성을 억제하는 금속간 화합물층;을 포함하며, 상기 구리-니켈 치아조직층은 구리(Cu) : 50 ~ 65 중량% 및 니켈(Ni) : 35 ~ 50 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a solder joint structure having a tooth structure, comprising: a copper-nickel dental tissue layer constituting a pad of a substrate; A solder connected on the copper-nickel tooth tissue layer; And an intermetallic compound layer formed at an interface between the copper-nickel tooth tissue layer and the solder and inhibiting the generation of a Kirkendall void, wherein the copper-nickel tooth tissue layer comprises copper (Cu): 50 to 65 By weight and nickel (Ni): 35 to 50% by weight.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조의 제조 방법은 (a) 패드를 구비하는 기판을 도금액이 채워진 전해 도금욕에 침지시키는 단계; (b) 상기 전해 도금욕에 침지된 기판의 패드에 0.025 ~ 0.055 A/dm2의 전류밀도로 직류 전해도금을 실시하여 구리(Cu) : 50 ~ 65 중량% 및 니켈(Ni) : 35 ~ 50 중량%로 조성되는 구리-니켈 치아조직층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 구리-니켈 치아조직층 상에 솔더를 닿게한 후, 리플로우 처리를 실시하여 상기 구리-니켈 치아조직층에 솔더를 접속시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a solder joint structure having tooth structures, comprising: (a) immersing a substrate having a pad in an electrolytic plating bath filled with a plating solution; (b) Direct current electrolytic plating is performed on the pads of the substrate immersed in the electrolytic plating bath at a current density of 0.025 to 0.055 A / dm 2 to produce copper (Cu): 50 to 65 wt% and nickel (Ni): 35 to 50 Forming a copper-nickel tooth tissue layer constituted by weight%; And (c) subjecting the solder to the copper-nickel tooth tissue layer and then performing a reflow treatment to connect the solder to the copper-nickel tooth tissue layer.

본 발명에 따른 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조 및 그 제조 방법은 비교적 낮은 0.025 ~ 0.055 A/dm2의 전류밀도 조건으로 직접 전해 도금을 실시함으로써, 구리(Cu) : 50 ~ 65 중량% 및 니켈(Ni) : 35 ~ 50 중량%로 조성되는 구리-니켈 치아조직층을 제조할 수 있다. 따라서, 상기 조성을 갖는 구리-니켈 치아조직층을 솔더링 공정으로 전자 부품 실장용으로 사용되는 솔더볼 또는 솔더 페이스트와 접속시키면 장기 사용 중에도 커켄달 보이드의 생성이 억제되어 솔더 접합부의 기계적 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
The solder joint structure having a tooth structure and the method of manufacturing the same according to the present invention can be manufactured by directly electroplating at a current density of 0.025 to 0.055 A / dm 2 , which is comparatively low, to 50 to 65 wt% of copper (Cu) Ni): 35 to 50% by weight based on the total weight of the copper-nickel tooth tissue layer. Therefore, if the copper-nickel tooth structure layer having the above composition is connected to a solder ball or a solder paste used for electronic component mounting by a soldering process, generation of a keelkond void can be suppressed even during long-term use, thereby improving the mechanical bonding reliability of the solder joint There is an advantage.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 치아조직을 갖는 솔더 접합부의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 치아조직을 갖는 솔더 접합부의 구조의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 직류 전해도금법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 전류밀도의 변화에 따라 전해 도금을 1시간 동안 실시한 후에 형성된 구리-니켈 치아조직층의 표면을 광학 현미경(Optical micrographs)으로 촬영한 사진이다.
도 5는 전류밀도의 변화에 따라 전해 도금을 1시간 동안 실시한 후에 형성된 구리-니켈 치아조직층의 표면을 SEM(Scanning electron micrographs)으로 촬영한 사진이다.
도 6은 전류밀도의 변화에 따라 전해 도금을 1시간 동안 실시한 후에 형성된 구리-니켈 치아조직층의 절단면을 광학 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 7은 전류밀도와 전해도금 시간의 변화에 따라 측정된 구리-니켈 치아조직층의 두께를 나타낸 것이다.
도 8은 전류밀도의 변화에 따라 전해 도금을 1시간 동안 실시한 후에 측정된 구리-니켈 치아조직층의 조성비를 나타낸 것이다.
도 9는 0.06 A/dm2의 전류밀도로 전해 도금을 1시간 동안 실시한 후에 국부적인 위치에서의 구리-니켈 치아조직층의 절단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 10은 도 9의 A 및 B 지점에서의 EDS 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 125℃에서 시효 처리한 후, Cu 층 및 Cu-Ni 치아조직층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더볼 간의 계면에서 성장된 금속간 화합물층에 대한 절단면을 SEM으로 촬영한 사진이다: (a) Cu 층 사용 시 240시간 시효 후, (b) Cu-Ni 치아조직층 사용 시 480시간 시효 후, (c) Cu-Ni 치아조직층 사용 시 720시간 시효 후.
도 12는 125℃에서 480시간 동안 시효 처리한 후, Cu-Ni 치아조직층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더볼 간의 계면에서 성장된 금속간 화합물층에 대한 절단면의 EPMA 맵핑(mapping) 사진을 나타낸 것이다.
도 13은 125℃에서 720시간 동안 시효 처리한 후, Cu-Ni 치아조직층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더볼 간의 계면에서 성장된 금속간 화합물층에 대한 절단면의 EPMA 맵핑(mapping) 사진을 나타낸 것이다.
도 14는 Cu층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더볼 간의 계면에서 성장된 금속간 화합물층에 대한 고상 시효 처리 전과 후의 계면에서의 반응을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 15는 Cu-Ni 치아조직층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더볼 간의 계면에서 성장된 금속간 화합물층에 대한 고상 시효 처리 전과 후의 계면에서의 반응을 도식화하여 나타낸 도면이다.
1 is a view illustrating a structure of a solder joint having a tooth structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a structure of a solder joint having a tooth structure according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view for explaining a DC electrolytic plating method.
FIG. 4 is a photograph of the surface of a copper-nickel tooth tissue layer formed after electroplating for 1 hour according to a change in current density, taken by optical micrographs.
5 is a photograph of a surface of a copper-nickel tooth tissue layer formed after electroplating for 1 hour according to a change in current density, by SEM (scanning electron micrographs).
FIG. 6 is a photograph of a cut surface of a copper-nickel tooth tissue layer formed after electrolytic plating for one hour in accordance with a change in current density, by an optical microscope.
7 shows the thickness of the copper-nickel tooth tissue layer measured according to the change of the current density and the electroplating time.
FIG. 8 shows the composition ratio of the copper-nickel tooth tissue layer measured after performing electrolytic plating for 1 hour in accordance with the change of the current density.
9 is a SEM photograph of a cut surface of a copper-nickel tooth tissue layer at a local position after electrolytic plating for 1 hour at a current density of 0.06 A / dm 2 .
10 shows the results of EDS measurement at points A and B in FIG.
FIG. 11 is a SEM photograph of the cross section of the intermetallic compound layer grown at the interface between the Cu layer and the Cu-Ni tooth tissue layer and the Sn-3.0 wt% Ag-0.5 wt% Cu solder ball after aging at 125 ° C (b) after aging for 480 hours with Cu-Ni tooth tissue layer, (c) after 720 hours aging with Cu-Ni tooth tissue layer.
FIG. 12 is an EPMA mapping image of a cross section of the intermetallic compound layer grown at the interface between the Cu-Ni tooth tissue layer and the Sn-3.0 wt% Ag-0.5 wt% Cu solder ball after aging at 125 ° C. for 480 hours Lt; / RTI >
FIG. 13 is an EPMA mapping image of a cross section of the intermetallic compound layer grown at the interface between the Cu-Ni tooth tissue layer and Sn-3.0 wt% Ag-0.5 wt% Cu solder balls after aging at 125 ° C for 720 hours Lt; / RTI >
14 is a schematic diagram showing the reaction at the interface between the Cu layer and the Sn-3.0 wt% Ag-0.5 wt% Cu solder ball before and after the aging treatment for the intermetallic compound layer grown at the interface.
FIG. 15 is a schematic diagram showing the reaction at the interface between the Cu-Ni tooth tissue layer and the Sn-3.0 wt% Ag-0.5 wt% Cu solder ball before and after the aging treatment for the intermetallic compound layer grown at the interface.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a solder joint structure having a tooth structure according to a preferred embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조를 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a view showing a solder joint structure having tooth structure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 치아조직을 갖는 솔더 접합부의 구조(100)는 구리-니켈 치아조직층(120), 솔더볼(140) 및 금속간 화합물층(160)을 포함한다. 솔더볼(140)을 솔더 페이스트로 대체하여 리플로우 할 경우도 동일한 구조로 간주될 수 있다.
Referring to FIG. 1, a structure 100 of a solder joint having a tooth structure according to an embodiment of the present invention includes a copper-nickel tooth tissue layer 120, a solder ball 140, and an intermetallic compound layer 160. When the solder ball 140 is replaced with solder paste and reflowed, the same structure can be considered.

구리-니켈 치아조직층(120)은 기판의 패드(미도시) 상에 형성된다. 이러한 구리-니켈 치아조직층(120)은 구리(Cu) : 50 ~ 65 중량% 및 니켈(Ni) : 35 ~ 50 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 구리-니켈 치아조직층(120)의 조성비가 상기의 범위에서 치아조직을 가지면서 구현될 경우, 후술할 솔더볼과의 접합 신뢰성이 우수하여 장기 간의 사용 중에도 커켄달 보이드의 생성이 억제되어 솔더 접합부의 기계적 접합 신뢰성을 크게 향상시키는 것을 실험을 통해 확인하였다.
A copper-nickel tooth tissue layer 120 is formed on a pad (not shown) of the substrate. Preferably, the copper-nickel tooth tissue layer 120 includes 50 to 65% by weight of copper (Cu) and 35 to 50% by weight of nickel (Ni). In this case, when the composition ratio of the copper-nickel tooth tissue layer 120 is realized while having the tooth structure in the above-mentioned range, the reliability of bonding with the solder ball to be described later is excellent, so that the generation of the curtain- And the mechanical bonding reliability of the test piece is greatly improved.

솔더볼(140)은 구리-니켈 치아조직층(120) 상에 접속된다. 상기 솔더볼(140)은 은(Ag) : 2.5 ~ 3.5 중량%, 구리(Cu) : 0.1 ~ 1.0 중량% 및 나머지 주석(Sn)을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 제한될 필요는 없다. 이러한 솔더볼(140)은 플럭스(flux)를 도포하고 리플로우시키는 것에 의하여 구리-니켈 치아조직층(120) 상에 접속된다.
Solder ball 140 is connected on copper-nickel tooth tissue layer 120. The solder ball 140 may include 2.5 to 3.5% by weight of silver (Ag), 0.1 to 1.0% by weight of copper (Cu), and the balance tin (Sn). This solder ball 140 is connected on the copper-nickel tooth tissue layer 120 by applying flux and reflowing it.

금속간 화합물층(intermetallic compound, 160)은 구리-니켈 치아조직층(120)과 솔더볼(140) 간의 계면에 형성되어, 솔더볼(140)과 구리-니켈 치아조직층(120)간을 결합시키는 역할을 한다. 이러한 금속간 화합물층(160)은 솔더볼(140)에 인접한 상부 영역에 형성되는 제1층(160a)과 구리-니켈 치아조직층(120)에 인접한 하부 영역에 형성되는 제2층(160b)을 포함할 수 있다. 여기서, 상부 영역은 표면을 포함하고, 하부 영역은 바닥면을 포함하는 것으로 정의될 수 있다. 이때, 제1층(160a)은 (Cu, Ni)6Sn5의 조성을 갖고, 제2층(160b)은 (Ni, Cu)3Sn4의 조성을 갖는다.The intermetallic compound 160 is formed at the interface between the copper-nickel dental tissue layer 120 and the solder ball 140 and serves to bond the solder ball 140 and the copper-nickel dental tissue layer 120 together. The intermetallic compound layer 160 includes a first layer 160a formed in the upper region adjacent to the solder ball 140 and a second layer 160b formed in the lower region adjacent to the copper- . Here, the upper region may include a surface, and the lower region may be defined to include a bottom surface. At this time, the first layer 160a has a composition of (Cu, Ni) 6 Sn 5 , and the second layer 160b has a composition of (Ni, Cu) 3 Sn 4 .

종래의 경우, 순수한 구리층과 솔더볼 간의 계면에 형성되는 금속간 화합물층의 경우, Cu6Sn5층과 Cu3Sn층이 생성되었는데, 특히 솔더볼이 고체 상태에서 가열되는 조건인 고상 시효 조건에서 주로 성장하는 Cu3Sn층은 커켄달 보이드가 형성되는 위치로 보고되고 있다. 이에 반해, 본 발명에서 제안하는 치아조직의 구리-니켈층을 적용할 경우에는 고상 시효 조건에서 Cu6Sn5층 생성 자리에 (Cu, Ni)6Sn5층이, Cu3Sn층 생성 자리에 (Ni, Cu)3Sn4층이 생성되어 결론적으로 커켄달 보이드의 생성이 매우 억제되는 것을 실험을 통해 확인하였다.
In the conventional case, in the case of the intermetallic compound layer formed at the interface between the pure copper layer and the solder ball, the Cu 6 Sn 5 layer and the Cu 3 Sn layer were generated. Especially, in the solid-state aging condition in which the solder ball was heated under the solid state, The Cu 3 Sn layer is reported to form a curtain wall void. In contrast, the present invention copper of dental tissues suggested in - in this case to apply the nickel layer (Cu, Ni) in a spot produced Cu 6 Sn 5 layer in the solid state aging conditions 6 Sn 5 layer, Cu 3 Sn layer forming spot (Ni, Cu) 3 Sn 4 layer is formed and consequently the formation of the curcendoloid is suppressed.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조의 제조 방법에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a solder joint structure having a tooth structure according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a solder joint structure having a tooth structure according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 도시된 치아조직을 갖는 솔더 접합 구조의 제조 방법은 침지 단계(S210), 구리-니켈 치아조직층 형성 단계(S220) 및 솔더 접합부 형성 단계(S230)를 포함한다.
Referring to FIG. 2, the manufacturing method of the solder joint structure having the tooth structure shown includes an immersion step (S210), a copper-nickel tooth layer formation step (S220), and a solder joint formation step (S230).

침지Immersion

침지 단계(S210)에서는 패드를 구비하는 기판을 도금액이 채워진 전해 도금욕에 침지시킨다.In the immersion step (S210), the substrate having the pad is immersed in an electrolytic plating bath filled with the plating liquid.

이때, 도금액의 pH는 8 ~ 10으로 유지하는 것이 바람직하다. 도금액의 pH가 8 미만이거나 10을 초과할 경우에는 도금층의 광택도가 떨어지고, 광택이 불균일한 문제가 발생할 수 있다.At this time, the pH of the plating solution is preferably maintained at 8 to 10. When the pH of the plating solution is less than 8 or more than 10, the gloss of the plating layer is lowered, and the problem of non-uniform gloss may occur.

상기 도금액의 pH는 암모니아 수용액으로 조절하는 것이 바람직하다.
The pH of the plating solution is preferably adjusted with an aqueous ammonia solution.

구리-니켈 치아조직층 형성Copper-nickel tooth layer formation

구리-니켈 치아조직층 형성 단계(S220)에서는 전해 도금욕에 침지된 기판의 패드에 0.025 ~ 0.055 A/dm2의 전류밀도로 직류 전해 도금을 실시하여 구리-니켈 치아조직층을 형성한다.In the copper-nickel tooth layer formation step (S220), a copper-nickel tooth tissue layer is formed by DC electroplating at a current density of 0.025 to 0.055 A / dm 2 on the pad of the substrate immersed in the electrolytic plating bath.

본 발명의 발명자들은 도금 속도를 향상시키기 위해 직류 전해 도금을 실시하였으며, 이를 통해 치아조직을 갖는 구리-니켈 치아조직층이 조성되는 것을 알아내었다. 특히, 직류 전해 도금법을 이용하여 제조되는 치아조직을 갖는 구리-니켈 치아조직층은 후술할 고상 시효 처리 과정에서 점차 균일한 구리-니켈 합금 조직으로 변화되기 때문에 도금 직후의 치아조직이 장기 접합 신뢰성에 큰 영향을 줄 수 없다는 것을 알아내었다.The inventors of the present invention have found that DC electrolytic plating is performed to improve the plating speed, and a copper-nickel tooth tissue layer having a tooth structure is formed. Particularly, since the copper-nickel tooth structure layer having a tooth structure manufactured by the direct current electrolytic plating method is gradually changed into a uniform copper-nickel alloy structure in the solid phase aging process to be described later, the tooth structure immediately after plating is excellent in long- I can not influence it.

이때, 구리-니켈 치아조직층은 구리(Cu) : 50 ~ 65 중량% 및 니켈(Ni) : 35 ~ 50 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 구리-니켈 치아조직층의 조성비가 상기의 범위에서 첨가될 경우, 치아조직을 가지며, 후술할 솔더와의 접합 신뢰성이 우수하여 장기 간의 사용 중에도 커켄덜 보이드의 생성이 억제되어 솔더 접합부의 기계적 접합 신뢰성을 크게 향상시키는 것을 실험을 통해 확인하였다.At this time, it is preferable that the copper-nickel tooth tissue layer contains 50 to 65 wt% of copper (Cu) and 35 to 50 wt% of nickel (Ni). In this case, when the composition ratio of the copper-nickel tooth tissue layer is added in the above-mentioned range, it has a tooth structure and is excellent in reliability of bonding with solder to be described later, so that generation of the curcurate void is suppressed during long- It is confirmed through experiments that the reliability is greatly improved.

특히, 전류밀도가 0.025 ~ 0.055 A/dm2의 범위에서 인가되어야 증착에 의해 형성되는 구리-니켈 치아조직층의 최종 조성비가 상기의 범위로 조성되며, 그 미세조직의 치밀도도 우수한 것을 실험을 통해 확인하였다.
In particular, it has been experimentally found that when the current density is applied in the range of 0.025 to 0.055 A / dm 2 , the final composition ratio of the copper-nickel tooth tissue layer formed by the deposition is in the above range and the microstructure of the micro- Respectively.

솔더 접합부 형성Solder joint formation

솔더 접합부 형성 단계(S230)에서는 구리-니켈 치아조직층 상에 무연 솔더를 리플로우시켜 접합부를 형성한다. 이때, 무연 솔더는 은(Ag) : 2.5 ~ 3.5 중량%, 구리(Cu) : 0.1 ~ 1.0 중량% 및 나머지 주석(Sn)을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 제한될 필요는 없다.In the solder joint forming step S230, lead-free solder is reflowed on the copper-nickel tooth structure layer to form a joint. The lead-free solder may include 2.5 to 3.5% by weight of silver (Ag), 0.1 to 1.0% by weight of copper (Cu), and the remaining tin (Sn).

본 단계에서, 구리-니켈 치아조직층과 솔더 재료 간의 계면에는 금속간 화합물층(intermetallic compound)이 형성된다.In this step, an intermetallic compound is formed at the interface between the copper-nickel tooth tissue layer and the solder material.

이러한 금속간 화합물층은 고상 시효를 통해 솔더볼에 인접한 상부 영역에 형성되는 제1층과 구리-니켈 치아조직층에 인접한 하부 영역에 형성되는 제2층을 포함할 수 있다. 이때, 제1층은 (Cu, Ni)6Sn5의 조성을 갖고, 제2층은 (Ni, Cu)3Sn4의 조성을 갖는다.The intermetallic compound layer may include a first layer formed in the upper region adjacent to the solder ball through solid-phase aging and a second layer formed in the lower region adjacent to the copper-nickel tooth tissue layer. At this time, the first layer has a composition of (Cu, Ni) 6 Sn 5 , and the second layer has a composition of (Ni, Cu) 3 Sn 4 .

종래의 경우, 순수한 구리층과 솔더볼 간의 계면에 형성되는 금속간 화합물층의 경우, Cu6Sn5층과 Cu3Sn층이 생성되었는데, 특히 솔더볼이 고체 상태에서 가열되는 조건인 고상 시효 조건에서 주로 성장하는 Cu3Sn층은 커켄달 보이드가 형성되는 위치로 보고되고 있다. 이에 반해, 본 발명에서 제안하는 치아조직의 구리-니켈층을 적용할 경우에는 고상 시효 조건에서 Cu6Sn5층 생성 자리에 (Cu, Ni)6Sn5층이, Cu3Sn층 생성 자리에 (Ni, Cu)3Sn4층이 생성되어 결론적으로 커켄달 보이드의 생성이 매우 억제되는 것을 실험을 통해 확인하였다.
In the conventional case, in the case of the intermetallic compound layer formed at the interface between the pure copper layer and the solder ball, the Cu 6 Sn 5 layer and the Cu 3 Sn layer were generated. Especially, in the solid-state aging condition in which the solder ball was heated under the solid state, The Cu 3 Sn layer is reported to form a curtain wall void. In contrast, the present invention copper of dental tissues suggested in - in this case to apply the nickel layer (Cu, Ni) in a spot produced Cu 6 Sn 5 layer in the solid state aging conditions 6 Sn 5 layer, Cu 3 Sn layer forming spot (Ni, Cu) 3 Sn 4 layer is formed and consequently the formation of the curcendoloid is suppressed.

상기의 과정(S210 ~ S230)으로 제조되는 치아조직층을 갖는 솔더 접합 구조에서 구리-니켈 치아조직층은 구리와 니켈 이온을 함유하는 복합 도금액을 사용하여 비교적 낮은 0.025 ~ 0.055 A/dm2의 전류밀도 조건으로 직접 전해 도금을 실시함으로써 제조할 수 있으며, 이때 구리(Cu) : 50 ~ 65 중량% 및 니켈(Ni) : 35 ~ 50 중량%로 조성되는 구리-니켈 치아조직층을 제조할 수 있다. 따라서, 상기 조성을 갖는 구리-니켈 치아조직층을 솔더링 공정으로 전자 부품 실장용으로 사용되는 솔더 재료와 접속시키면 장기 사용 중에도 커켄달 보이드의 생성이 억제되어 솔더 접합부의 기계적 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
In the solder bonding structure having the tooth tissue layers to be produced by the above process (S210 ~ S230) of copper-nickel dental tissue layers using a composite plating solution containing copper and nickel ions is relatively low 0.025 to current density of 0.055 A / dm 2 And a copper-nickel tooth tissue layer composed of copper (Cu) in an amount of 50 to 65 wt% and nickel (Ni) in an amount of 35 to 50 wt% can be produced. Therefore, when the copper-nickel tooth structure layer having the above composition is connected to the solder material used for electronic component mounting by a soldering process, the generation of the keelkond void during the long-term use can be suppressed and the mechanical bonding reliability of the solder joint can be improved have.

실시예Example

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments of the present invention. It is to be understood, however, that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed in a limiting sense.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
The contents not described here are sufficiently technically inferior to those skilled in the art, and a description thereof will be omitted.

1. 실험법1. Experimental method

도 3은 직류 전해도금법을 설명하기 위한 모식도로, 이를 참조로 설명하도록 한다.FIG. 3 is a schematic view for explaining the DC electrolytic plating method, which will be described with reference to FIG.

도금액은 니켈(II) 설파이드 헥사하이드레이트{nickel(II) sulfate hexahydrate, NiSO4ㆍ6H2O, >98.5%, 0.475 M}, 구리(II) 설파이드 펜타하이드레이트{copper(II) sulfate pentahydrate, CuSO4ㆍH2O, 0.125 M}, 그리고 소디움 시트레이트 트리베이식 다이하이드레이트{sodium citrate tribasic dehydrate, Na3C6H5O7ㆍ2H2O, 99%, 0.20 M}가 사용되었다.The plating solution contained nickel (II) sulfate hexahydrate, NiSO 4 .6H 2 O, 98.5%, 0.475 M, copper (II) sulfate pentahydrate, CuSO 4 H 2 O, 0.125 M}, and sodium citrate tribasic dehydrate (Na 3 C 6 H 5 O 7 .2H 2 O, 99%, 0.20 M} were used.

이때, 전해 도금욕 내에 채워지는 도금액의 pH는 암모니아 수용액(28~30%)을 이용하여 9.0로 조절하였으며, 직류 전해도금은 실온(room temperature)에서 실시하였다.At this time, the pH of the plating solution filled in the electrolytic plating bath was adjusted to 9.0 using an aqueous ammonia solution (28 to 30%), and the direct current electrolytic plating was performed at room temperature.

기판은 가로 20 mm ⅹ 세로 20 mm ⅹ 두께 1 mm를 갖는 3N Cu 플레이트를 이용하였고, 음극으로는 Ni 메쉬를 사용하였다.The substrate used was a 3N Cu plate with a width of 20 mm × 20 mm × 1 mm, and a Ni mesh was used as the cathode.

이때, 기판과 음극 상호 간은 30mm의 간격으로 이격되도록 유지시켰고, 전류밀도는 0.04 A/dm2, 0.05 A/dm2, 0.06 A/dm2, 0.07 A/dm2의 조건으로 직류 전해도금을 각각 실시하였다.In this case, the substrate and the negative electrode cross the liver sikyeotgo held to be spaced apart at an interval of 30mm, the current density of the electrolytic direct current plating under the condition of 0.04 A / dm 2, 0.05 A / dm 2, 0.06 A / dm 2, 0.07 A / dm 2 Respectively.

도금 시간에 따른 증착 두께를 측정하기 위해, 전해도금 처리된 시편들은 15분 간격으로 도금욕으로부터 빼내었다.
To measure the deposition thickness with plating time, the electroplated specimens were removed from the plating bath at 15 minute intervals.

한편, 전해도금된 Cu-Ni 치아조직층의 미세조직 및 두께는 광학 현미경(optical microscopies: OM) 및 주사전자 현미경(scanning electron microscopies: SEM)을 이용하여 각각 관찰하였다. 그리고, 전해도금된 도금층들에 대한 성분 분석은 EDS(energy dispersive spectroscopy)를 이용하여 측정하였다.
On the other hand, the microstructure and thickness of the electroplated Cu-Ni dental tissue layer were observed using optical microscopies (OM) and scanning electron microscopes (SEM), respectively. The component analysis of the electroplated plated layers was performed using energy dispersive spectroscopy (EDS).

이후, 각각의 조건으로 전해도금 처리된 도금층들에서 1.5mm의 직경을 가지는 원형 형상 일부를 제외한 상부를 솔더 레지스트(solder resist)로 도포한 후 경화시켜 원형 형상의 패드(pad)를 형성하였다. 최종적으로 수용성의 플럭스(WF6063M, Senju Metal)와 혼합된 450㎛의 직경을 갖는 14개의 Sn-3.0 wt% Ag-0.5 Cu 솔더볼을 구리-니켈 치아조직층 패드에 리플로우 처리하여 접속시켰다. 리플로우 처리 이후, 125℃에서 고상 시효처리가 수행되었다.Then, in the plating layers subjected to electrolytic plating under each condition, an upper portion excluding a circular shape portion having a diameter of 1.5 mm was coated with solder resist and cured to form a circular pad. Finally, 14 Sn-3.0 wt% Ag-0.5 Cu solder balls having a diameter of 450 mu m mixed with a water-soluble flux (WF6063M, Senju Metal) were reflowed and connected to copper-nickel tooth tissue layer pads. After the reflow treatment, solid phase aging treatment was carried out at 125 캜.

구리-니켈 도금층과 솔더볼을 포함하는 솔더 접합 구조에 대한 단면은 SEM으로 촬영하여 분석하였다. 구리-니켈층과 솔더볼 간의 계면에 대한 선명한 SEM 사진을 확보하기 위해, 구리-니켈 치아조직층과 솔더볼의 절단면을 CH3OH 4vol%, HNO3 1vol%, HCl 혼합 용액으로 에칭하였다.
Sections of the solder joint structure including the copper-nickel plated layer and solder balls were analyzed by SEM. In order to obtain a clear SEM image of the interface between the copper-nickel layer and the solder ball, the cut surfaces of the copper-nickel tooth tissue layer and the solder ball were etched with a mixed solution of 4 vol% of CH 3 OH, 1 vol% of HNO 3 and HCl.

2. 미세 조직 관찰2. Microstructure Observation

도 4는 전류밀도의 변화에 따라 전해 도금을 1시간 동안 실시한 후에 형성된 구리-니켈 치아조직층의 표면을 광학 현미경(Optical micrographs)으로 촬영한 사진이다.FIG. 4 is a photograph of the surface of a copper-nickel tooth tissue layer formed after electroplating for 1 hour according to a change in current density, taken by optical micrographs.

도 4에 도시된 바와 같이, 0.04 A/dm2의 전류밀도 조건으로 제조된 시편은 평평한 표면 형태가 관찰되는 데 반해, 0.05 A/dm2의 전류밀도 조건으로 제조된 시편은 그 표면이 부분적으로 거칠어진 것을 확인할 수 있다. 또한, 0.06 A/dm2의 전류밀도 조건으로 제조된 시편은 불규칙한 미세 노듈(nodule)들이 급속히 증가하였다. 마지막으로, 0.07 A/dm2의 전류밀도 조건으로 제조된 시편은 노듈 사이즈가 증가하지는 않았으나, 노듈의 양이 더욱 증가하였다.As shown in FIG. 4, a specimen manufactured under a current density condition of 0.04 A / dm 2 has a flat surface morphology, whereas a specimen manufactured under a current density condition of 0.05 A / dm 2 has a surface partially It can be confirmed that it is rough. In addition, the specimens prepared at current density of 0.06 A / dm 2 showed a rapid increase in irregular micro nodules. Finally, the specimens prepared under current density conditions of 0.07 A / dm 2 did not increase the nodule size, but the amount of nodule was further increased.

요약해 보면, 전류밀도가 증가함에 따라 구리 및 니켈 원자들의 증착 표면은 평평한 형태에서 구형의 노듈 표면으로 변화되어 가며, 이 결과 표면 형태가 거칠어지는 것을 확인하였다.In summary, as the current density increases, the deposition surface of the copper and nickel atoms changes from a flat shape to a spherical nodule surface, and as a result, the surface morphology becomes rough.

이러한 거칠기는 후속하는 솔더링 과정 동안 플럭스 도포 시의 기공 형성 등에 의한 미세 보이드를 야기시킬 수 있다. 따라서, 0.06 및 0.07 A/dm2의 전류밀도는 부적절한 공정 조건인 것으로 판단된다.
Such roughness can cause micro voids due to pore formation during flux application during subsequent soldering processes. Therefore, current densities of 0.06 and 0.07 A / dm < 2 > are considered to be inadequate process conditions.

도 5는 전류밀도의 변화에 따라 전해 도금을 1시간 동안 실시한 후에 형성된 구리-니켈 치아조직층의 표면을 SEM(Scanning electron micrographs)으로 촬영한 사진이다.5 is a photograph of a surface of a copper-nickel tooth tissue layer formed after electroplating for 1 hour according to a change in current density, by SEM (scanning electron micrographs).

고배율 SEM 이미지에서 볼 수 있듯이, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 0.04 A/dm2의 전류밀도 조건에서 제조된 시편은 그 고배율 표면도 여전히 비교적 매끄러운 형태임을 나타내고 있다.As can be seen from the high magnification SEM image, the specimen produced at the current density condition of 0.04 A / dm 2 , as shown in Figure 5 (a), shows that the high magnification surface is still relatively smooth.

반면, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 0.05 A/dm2의 전류밀도 조건에서 제조된 시편은 부분적으로 핀 홀(pin holes)과 같은 미세 표면 결함이 일부 관찰되었다.On the other hand, as shown in FIG. 5 (b), the specimen produced at the current density condition of 0.05 A / dm 2 partially had some fine surface defects such as pin holes.

도 4 및 도 5에서 도시하고 설명한 결과를 토대로, 0.04 A/dm2의 전류밀도 조건에서 제조되는 구리-니켈 치아조직층의 표면 형태가 후속되는 솔더링 공정에 대한 패드로써 가장 적합하다는 것을 확인하였다. 그러나 0.05 A/dm2의 전류밀도 조건에서 제조되는 구리-니켈 치아조직층도 후속 솔더링 공정에 대응 가능하다.
Based on the results shown and described in FIGS. 4 and 5, it was confirmed that the surface morphology of the copper-nickel tooth structure fabricated under the current density condition of 0.04 A / dm 2 is most suitable as a pad for the subsequent soldering process. However, the copper-nickel tooth tissue layer produced at a current density of 0.05 A / dm 2 is also suitable for subsequent soldering processes.

도 6은 전류밀도의 변화에 따라 전해 도금을 1시간 동안 실시한 후에 형성된 구리-니켈 치아조직층의 절단면을 광학 현미경으로 촬영한 사진이다.FIG. 6 is a photograph of a cut surface of a copper-nickel tooth tissue layer formed after electrolytic plating for one hour in accordance with a change in current density by an optical microscope.

도 6의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 0.04 ~ 0.07 A/dm2의 전류밀도 조건들 전반에 걸쳐 치아조직층이 관찰되었다. 그리고, 전류밀도가 증가함에 따라 대체로 약간 더 뚜렷한 치아조직을 갖는 것을 알 수 있다.A, 0.04 ~ 0.07 A / dm tooth tissue layers across the current density of 2 as it is shown in (a) to (d) of Figure 6 were observed. It can be seen that as the current density increases, it has a generally slightly more pronounced tooth structure.

즉, 치아조직이라 함은 광학현미경 이미지 상에서 오렌지색과 녹회색의 기둥 형태가 반복적으로 배열된 상태로 관찰되는 것을 한 단어로 표현한 것이다.In other words, the dental tissue is a word in which the orange and green-gray columns are repeatedly arranged on an optical microscope image.

이는 상기 직류 도금에 의한 구리 및 니켈 원자들의 동시 증착은 완전히 균일한 혼합 비율로 이루어진다기 보다는 오히려 구리 및 니켈 원자들이 국부적으로 더 많은 양이 집중되면서 증착되는 것을 암시한다.
This implies that the co-deposition of copper and nickel atoms by the direct-current plating is deposited at a locally more concentrated concentration rather than at a completely uniform mixing ratio.

도 7은 전류밀도와 전해도금 시간의 변화에 따라 측정된 구리-니켈 치아조직층의 두께를 나타낸 것이다.7 shows the thickness of the copper-nickel tooth tissue layer measured according to the change of the current density and the electroplating time.

도 7에 도시된 바와 같이, 일반적으로 증착 시간이 증가함에 따라 증착 두께가 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 전류밀도가 상승함에 따라 증착 두께 또한 약간씩 증가하는 것을 알 수 있다.
As shown in FIG. 7, it is generally understood that the deposition thickness increases linearly with the increase of the deposition time. Also, it can be seen that as the current density increases, the deposition thickness also increases slightly.

도 8은 전류밀도의 변화에 따라 전해 도금을 1시간 동안 실시한 후에 측정된 구리-니켈 치아조직층의 조성비를 나타낸 것이다.FIG. 8 shows the composition ratio of the copper-nickel tooth tissue layer measured after performing electrolytic plating for 1 hour in accordance with the change of the current density.

도 8에 도시된 바와 같이, 전류밀도가 증가함에 따라 구리-니켈 치아조직층에서의 니켈 평균 함량이 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 특히, 표면 형태가 가장 우수했었던 0.04 A/dm2의 전류 밀도 조건의 경우에서 구리-합금 도금층의 평균 조성비는 구리 : 65 중량% 및 니켈 : 32.5 중량%이었다.
As shown in FIG. 8, it can be seen that as the current density increases, the nickel average content in the copper-nickel tooth tissue layer linearly increases. Particularly, in the case of the current density condition of 0.04 A / dm 2 which had the best surface form, the average composition ratio of the copper-alloy plating layer was 65 wt% of copper and 32.5 wt% of nickel.

도 9는 0.06 A/dm2의 전류밀도로 전해 도금을 1시간 동안 실시한 후에 구리-니켈 치아조직층의 절단면을 SEM으로 촬영한 사진이고, 도 10은 도 9의 A 및 B의 국부적인 지점에서의 EDS 측정 결과를 나타낸 것이다.FIG. 9 is a photograph of a section of the copper-nickel tooth tissue layer taken by SEM after electroplating at a current density of 0.06 A / dm 2 for 1 hour, and FIG. 10 is a photograph taken at a local point of A and B of FIG. 9 EDS measurement results.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, EDS 측정 결과 A 지점에서 검출된 조성은 니켈이 상대적으로 다량 함유되어 있는 것이 명백한 데 반해, B 지점에서 검출된 조성은 구리가 상대적으로 다량 함유되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 도 6에 나타낸 모든 치아조직층들은 전체의 평균적인 조성 변화에도 불구하고, 모든 경우에서 부분적으로 구리 또는 니켈이 다량으로 함유된 미세 치아조직 상들이 존재하는 것을 알 수 있다. 0.06 A/dm2의 전류밀도 조건으로 도금된 치아조직층을 분석한 것은 치아조직층의 일 예를 보여주는 것으로 0.04 A/dm2의 전류밀도 조건으로 도금된 치아조직층을 분석할 경우에도 유사한 결과를 얻을 수 있다.
As shown in FIG. 9 and FIG. 10, it is evident that the composition detected at point A as a result of EDS measurement contains a relatively large amount of nickel, while the composition detected at point B contains a relatively large amount of copper Can be confirmed. It can be seen that all of the dental tissue layers shown in Fig. 6 have fine dental tissue phases partially containing copper or nickel in a large amount in all cases despite the average compositional change of the whole. An analysis of the plated tissue layer at a current density of 0.06 A / dm 2 is an example of a dental tissue layer, and similar results can be obtained when analyzing a plated tissue layer at a current density of 0.04 A / dm 2 have.

3. 리플로우 공정 후, 고상 시효 동안 솔더와 구리-니켈 치아조직층의 계면에 생성되는 금속간 화합물층의 성장 특성 고찰3. Investigation of the growth characteristics of intermetallic compound layer at the interface between solder and copper-nickel tooth structure during solid-state aging after reflow process

표 1은 125℃에서 고상 시효 시간별로 측정된 금속간 화합물층의 평균 두께를 나타낸 것이다. 이때, 패드로써 사용되는 구리-니켈 치아조직층은 최적의 조건인 0.04 A/dm2의 전류밀도에서 제조되었다.
Table 1 shows the average thicknesses of intermetallic compound layers measured at solidification aging time at 125 ° C. At this time, the copper-nickel tooth tissue layer used as a pad was manufactured at an optimum condition of 0.04 A / dm 2 current density.

[표 1][Table 1]

Figure 112012048936872-pat00001
Figure 112012048936872-pat00001

표 1을 참조하면, 고상 시효 시간이 증가함에 따라 금속간 화합물층의 평균 두께 또한 증가하는 것을 알 수 있다. 모든 실험 조건이 동일하다는 전제하에, 구리-니켈 치아조직층 상에서 성장한 금속간 화합물층의 두께가 구리 도금층 상에서 성장한 금속간 화합물층의 두께 보다 다소 얇은 것을 알 수 있다.
Referring to Table 1, it can be seen that the average thickness of the intermetallic compound layer also increases as the solid-phase aging time increases. It can be seen that the thickness of the intermetallic compound layer grown on the copper-nickel tooth tissue layer is slightly thinner than the thickness of the intermetallic compound layer grown on the copper plating layer, provided that all the experimental conditions are the same.

도 11은 125℃에서 고상 시효 처리한 후, Cu-Ni 치아조직층 또는 Cu층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더볼 간의 계면에서 성장된 금속간 화합물층에 대한 절단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.FIG. 11 is a SEM photograph of the cross section of the intermetallic compound layer grown at the interface between the Cu-Ni tooth tissue layer or Cu layer and the Sn-3.0 wt% Ag-0.5 wt% Cu solder ball after aging at 125 ° C to be.

도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 직류 전해 도금으로 제조된 순수한 구리층상에서 240시간 동안 고상 시효 처리된 후에 생성된 금속간 화합물층은 전형적인 조가비(scallop) 형상을 나타내고 있다. 더욱이, 주석과 구리의 상호 확산속도 차이의 결과로 생성되는 커켄달 보이드 역시 10일(240시간) 동안의 시효 처리 후에 금속간 화합물층의 하부 영역인 Cu3Sn층 내에서 관찰되었다.As shown in Fig. 11 (a), the intermetallic compound layer formed after solid-phase aging for 240 hours on a pure copper layer produced by direct current electrolysis showed a typical scallop shape. Moreover, the keelendic voids resulting from the difference in the interdiffusion rates of tin and copper were also observed in the Cu 3 Sn layer, which is the lower region of the intermetallic compound layer, after aging for 10 days (240 hours).

반면, 리플로우 공정 직후에 관찰된 Cu-Ni 치아조직층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더볼의 계면에서 성장한 금속간 화합물층은 바늘 형태를 나타내었는데, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이, 이러한 형상은 480시간의 고상 시효 처리가 진행될 때까지 명백히 관찰되었다. 그리고, 도 11의 (c)에 도시된 바와 같이, 시효 시간이 720시간에 근접했을 때, 금속간 화합물층의 표면 형태는 매끄러운 형태가 되는 것을 알 수 있다.On the other hand, the intermetallic compound layer grown at the interface between the Cu-Ni tooth tissue layer and the Sn-3.0 wt% Ag-0.5 wt% Cu solder ball observed immediately after the reflow process showed a needle shape, As shown, this shape was clearly observed until a solid aging treatment of 480 hours progressed. As shown in Fig. 11 (c), when the aging time approaches 720 hours, the surface morphology of the intermetallic compound layer becomes smooth.

또한, 도 11의 (c)에 도시된 바와 같이, 720시간의 시효 처리 후에도 Cu-Ni 치아조직층과 Sn-3.0 Ag-0.5 Cu 솔더의 계면에서는 커켄달 보이드가 관찰되지 않았다는 것은 가장 놀라운 발견이었다. 이에 반해, 상기 언급한 것처럼 순수한 구리층의 경우에는 240 시간의 시효 처리 후에도 커켄달 보이드가 형성되었다.
Also, as shown in Fig. 11 (c), it was the most surprising finding that after the aging treatment for 720 hours, no keelkendall void was observed at the interface between the Cu-Ni tooth tissue layer and the Sn-3.0 Ag-0.5 Cu solder. On the contrary, in the case of pure copper layer as mentioned above, a keelendal void was formed even after the aging treatment for 240 hours.

한편, 구리-니켈 치아조직층에서의 커켄달 보이드의 형성 억제 메커니즘을 설명하기 위해, 고상 시효 처리 시간에 따라 Cu-Ni 치아조직층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더 간 계면에서의 절단면에 대한 EPMA 맵핑(mapping) 테스트를 수행하였다.In order to explain the mechanism of suppression of the formation of cupidal voids in the copper-nickel tooth tissue layer, it was found that the cut surface at the interface between the Cu-Ni tooth tissue layer and the Sn-3.0 wt% Ag-0.5 wt% Were subjected to an EPMA mapping test.

이때, 도 12는 125℃에서 480시간 동안 시효 처리한 후, Cu-Ni 치아조직층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5w% Cu 솔더 간의 계면에서 성장된 금속간 화합물층에 대한 절단면의 EPMA 맵 사진을 나타낸 것이다.12 shows the EPMA map of the cut surface of the intermetallic compound layer grown at the interface between the Cu-Ni tooth tissue layer and Sn-3.0 wt% Ag-0.5 w% Cu solder after aging treatment at 125 ° C for 480 hours .

도 12에 도시된 바와 같이, 구리-니켈 치아조직층에서 구리와 니켈 원소들의 분포는 도 6에서 관찰된 미세조직들과 비교해 볼 때, 비교적 균일한 상태로 바뀐 것을 알 수 있다. 이것은 시효 처리 동안 확산에 의해 평형(equilibrium) 고용체(solid-solution) 상으로 전이되고 있음을 의미한다.As shown in Fig. 12, the distribution of copper and nickel elements in the copper-nickel tooth tissue layer is changed to a relatively uniform state when compared with the microstructures observed in Fig. This means that it is being transferred onto the equilibrium solid-solution by diffusion during the aging process.

그리고, 금속간 화합층에서의 주석, 구리 및 니켈 원소의 분포가 측정되었는데, 이때 금속간 화합층 내에서 구리 및 니켈의 분포는 매우 균일한 것이 관찰되었다.The distribution of tin, copper and nickel elements in the intermetallic compound layer was measured. At this time, the distribution of copper and nickel in the intermetallic compound layer was observed to be very uniform.

그러나, 금속간 화합층에서 측정된 구리 분포의 두께는 니켈 분포 두께에 비하여 다소 더 두꺼운 것이 관찰되었으며, 금속간 화합물층에서 주석의 농도는 금속간 화합층의 바닥 지점쪽으로 갈수록 다소 감소하는 경향을 확인하였다. 이러한 결과는 금속간 화합층의 상부쪽은 구리 기반의 금속간 화합물로, 금속간 화합층의 하부쪽은 니켈 기반의 금속간 화합물로 전이되고 있음을 의미한다.
However, it was observed that the thickness of the copper distribution measured in the intermetallic compound layer was somewhat thicker than that of the nickel distribution, and the concentration of tin in the intermetallic compound layer tended to decrease slightly toward the bottom of the intermetallic compound layer . These results indicate that the upper side of the intermetallic compound layer is a copper - based intermetallic compound and the lower side of the intermetallic compound layer is a nickel - based intermetallic compound.

또한, 도 13은 125℃에서 720시간 동안 에이징 처리한 후, Cu-Ni 치아조직층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더 간의 계면에서 성장된 금속간 화합물층에 대한 절단면의 EPMA 맵 사진을 나타낸 것이다.13 shows an EPMA map of the cut surface of the intermetallic compound layer grown at the interface between the Cu-Ni tooth tissue layer and the Sn-3.0 wt% Ag-0.5 wt% Cu solder after aging treatment at 125 DEG C for 720 hours .

도 13에 도시된 바와 같이, 구리-니켈 치아조직층은 더 균일하게 혼합된 고용체 상을 나타내었으며, 금속간 화합층에서 측정된 구리 분포의 두께는 니켈 분포 두께에 비해 명백히 더 두껍다는 것을 확인하였다. 또한, 금속간 화합물층에서의 주석의 농도는 구리-니켈 치아조직층의 방향을 따라 여전히 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 금속간 화합층의 상부쪽은 구리 기반의 금속간 화합물로, 금속간 화합층의 하부쪽은 니켈 기반의 금속간 화합물로 충분히 전이되었음을 의미한다.
As shown in Fig. 13, the copper-nickel tooth tissue layer showed a more uniformly mixed solid phase, and the thickness of the copper distribution measured in the intermetallic compound layer was apparently thicker than the nickel distribution thickness. It can also be seen that the concentration of tin in the intermetallic compound layer still decreases along the direction of the copper-nickel tooth tissue layer. These results indicate that the upper part of the intermetallic compound layer is a copper - based intermetallic compound and the lower part of the intermetallic compound layer is sufficiently transferred to a nickel - based intermetallic compound.

한편, 도 14는 일반적인 Cu층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더 간의 계면에서 성장된 금속간 화합물층에 대한 고상 시효 처리 전과 후의 계면 반응을 도식화하여 나타낸 도면이고, 도 15는 Cu-Ni 치아조직층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더간의 계면에서 성장된 금속간 화합물층에 대한 고상 시효 처리 전과 후의 계면 반응을 도식화하여 나타낸 도면이다.14 is a graphical representation of the interfacial reaction before and after solid-phase aging treatment for the intermetallic compound layer grown at the interface between a general Cu layer and a Sn-3.0 wt% Ag-0.5 wt% Cu solder, FIG. 5 is a diagrammatic representation of the interfacial reaction before and after solid-phase aging for the intermetallic compound layer grown at the interface between the Ni dental tissue layer and the Sn-3.0 wt% Ag-0.5 wt% Cu solder.

도 15에 도시된 바와 같이, 상부 솔더 방향으로 니켈에 비해 구리의 확산속도가 더 빠른 데 기인하여 고상 시효 처리 동안 금속간 화합물층의 하부 영역은 니켈을 다량으로 함유하는 금속간 화합물층으로 변화하고 금속간 화합물층의 상부 영역은 상대적으로 구리를 많이 함유하는 금속간 화합물로 점진적으로 변화하는 것을 알 수 있다.As shown in Fig. 15, due to the faster diffusion rate of copper compared to nickel in the direction of the upper solder, the lower region of the intermetallic compound layer changes to an intermetallic compound layer containing a large amount of nickel during the solid- It can be seen that the upper region of the compound layer gradually changes to an intermetallic compound containing a relatively large amount of copper.

이 결과, 고상 시효 처리 시간이 장기화됨에 따라, 금속간 화합물층의 상부 영역은 (Cux, Ni1-x)6Sn5 상으로 전이되고, 하부 영역은 (Niy, Cu1-y)3Sn4 상으로 전이되게 된다.As a result, the upper region of the intermetallic compound layer is transferred to (Cu x , Ni 1-x ) 6 Sn 5 phase and the lower region is transferred to (Ni y , Cu 1-y ) 3 Sn 4 phase.

반면, 도 14에 도시된 바와 같이, 통상의 Cu층에서의 고상 시효 동안에는 주석 기반의 솔더 성분 중 주석의 Cu층으로의 확산속도보다 Cu층의 Cu가 솔더로 확산되는 속도가 더 빠르기 때문에 결국 솔더와 Cu층 사이에 형성되는 Cu6Sn5 층과 Cu3Sn 층 중 구리층의 계면과 인접한 Cu3Sn층 내에서 커켄달 보이드를 생성시킨다.
On the other hand, as shown in Fig. 14, during the solid-phase aging in the normal Cu layer, the Cu dissipation rate of the Cu layer to the solder is faster than the diffusion rate of the tin-based solder component into the Cu layer, and in the interface between the adjacent Cu 3 Sn layer of the copper layer of Cu 6 Sn 5 layer and the Cu 3 Sn layer formed between the Cu layer increases to produce a void Kendall.

도 15를 다시 참조하면, 구리에 비해 더 낮은 확산속도를 갖는 니켈 원자들은 리플로우 직후 형성된 Cu-Ni-Sn 금속간 화합물층의 바닥 영역, 즉 시효 처리 동안 Cu-Ni 치아조직층과 Sn-3.0wt% Ag-0.5wt% Cu 솔더의 계면에 존재하는 Cu-Ni-Sn 금속간 화합물층 중 구리-니켈 치아조직층과 인접한 영역부에서 존재할 가능성이 높다. 따라서 이러한 원인은 커켄달 보이드의 생성을 억제하는 중요한 이유로 간주될 수 있다. 요컨대 상기 현상의 결과로 시효 후 Cu-Ni-Sn 금속간 화합물층의 바닥 영역에서 관찰된 금속간 화합물은 Ni 및 Sn 기반의 금속간 화합물 상, 즉 (Ni, Cu)3Sn4의 조성으로 존재하게 된다.Referring again to FIG. 15, nickel atoms having a lower diffusion rate relative to copper are deposited in the bottom region of the Cu-Ni-Sn intermetallic compound layer formed immediately after reflow, that is, Cu-Ni dental tissue layer and Sn-3.0 wt% There is a high possibility that the Cu-Ni-Sn intermetallic compound layer present at the interface of the Ag-0.5 wt% Cu solder exists in the region adjacent to the copper-nickel tooth tissue layer. Therefore, this cause can be regarded as an important reason for suppressing the formation of keelendal voids. In short, as a result of the above phenomenon, the intermetallic compound observed in the bottom region of the Cu-Ni-Sn intermetallic compound layer after aging exists in the composition of Ni and Sn-based intermetallic compound, ie, (Ni, Cu) 3 Sn 4 do.

Ni 및 Sn 기반의 상을 갖는 금속간 화합물 상은 Cu 및 Sn 기반의 상을 갖는 금속간 화합물 상에 비하여 그 생성 시 볼륨 수축 현상이 더 적기 때문에, 외부 충격에 기인한 솔더 조인트부에서의 표면 깨짐 불량을 감소시킬 수 있다.Since the intermetallic compound phase having an Ni- and Sn-based phase has a smaller volume shrinkage phenomenon than the intermetallic compound phase having a phase based on Cu and Sn, the surface cracking defect in the solder joint portion due to external impact Can be reduced.

따라서, Cu-Ni 치아조직층으로 만들어진 패드를 사용한 솔더 접합부는 기존의 Cu 패드로 이루어진 솔더 접합부에 비하여 낙하, 충격 및 진동에 의한 신뢰성에 보다 우수한 특성을 나타낼 수 있다.
Therefore, solder joints using pads made of Cu-Ni dental tissue layer can exhibit more excellent reliability due to falling, impact and vibration compared to solder joints made of conventional Cu pads.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. These changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be determined by the following claims.

100 : 솔더 접합 구조 120 : 구리-니켈 치아조직층
140 : 솔더볼 160 : 금속간 화합물층
160a : 금속간 화합물층의 제1층 160b : 금속간 화합물층의 제2층
S210 : 침지 단계
S220 : 구리-니켈 치아조직층 형성 단계
S230 : 솔더 접합부 형성 단계
100: solder joint structure 120: copper-nickel tooth layer
140: solder ball 160: intermetallic compound layer
160a: first layer of an intermetallic compound layer 160b: second layer of an intermetallic compound layer
S210: Immersion step
S220: Copper-nickel tooth layer formation step
S230: Solder joint formation step

Claims (5)

기판의 패드를 구성하고 기둥 형태가 반복적으로 배열된 구리-니켈 치아조직층;
상기 구리-니켈 치아조직층 상에 접속된 솔더; 및
상기 구리-니켈 치아조직층과 솔더 간의 계면에 형성되어, 커켄달 보이드(Kirkendall void)의 생성을 억제하는 금속간 화합물층;을 포함하며,
상기 구리-니켈 치아조직층은 구리(Cu) : 50 ~ 65 중량% 및 니켈(Ni) : 35 ~ 50 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 치아조직 구리-니켈층을 갖는 솔더 접합 구조.
A copper-nickel dental tissue layer constituting pads of a substrate and arranged in a columnar shape repeatedly;
A solder connected on the copper-nickel tooth tissue layer; And
An intermetallic compound layer formed at an interface between the copper-nickel tooth tissue layer and the solder and inhibiting the formation of a Kirkendall void,
Wherein the copper-nickel dental tissue layer comprises 50 to 65 wt% of copper (Cu) and 35 to 50 wt% of nickel (Ni).
제1항에 있어서,
상기 솔더는
은(Ag) : 2.5 ~ 3.5 중량%, 구리(Cu) : 0.1 ~ 1.0 중량% 및 나머지 주석(Sn)을 포함하는 주석 기반의 조성인 것을 특징으로 하는 치아조직 구리-니켈층을 갖는 솔더 접합 구조.
The method according to claim 1,
The solder
Wherein the copper-nickel layer has a tin-based composition comprising 2.5 to 3.5% by weight of silver (Ag), 0.1 to 1.0% by weight of copper (Cu) .
제1항에 있어서,
상기 금속간 화합물층은 고상 시효 후에
상기 솔더에 인접한 상부 영역은 (Cu, Ni)6Sn5의 조성을 갖고,
상기 구리-니켈 치아조직층에 인접한 하부 영역은 (Ni, Cu)3Sn4의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 치아조직 구리-니켈층을 갖는 솔더 접합 구조.
The method according to claim 1,
After the solid phase aging
The upper region adjacent to the solder has a composition of (Cu, Ni) 6 Sn 5 ,
Wherein the lower region adjacent to the copper-nickel tooth tissue layer has a composition of (Ni, Cu) 3 Sn 4 .
(a) 패드를 구비하는 기판을 도금액이 채워진 전해 도금욕에 침지시키는 단계;
(b) 상기 전해 도금욕에 침지된 기판의 패드에 0.04 ~ 0.05 A/dm2의 전류밀도로 직류 전해도금을 실시하여 구리(Cu) : 50 ~ 65 중량% 및 니켈(Ni) : 35 ~ 50 중량%로 조성되는 구리-니켈 치아조직층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 구리-니켈 치아조직층 상에 솔더를 닿게한 후, 리플로우 처리를 실시하여 상기 구리-니켈 치아조직층에 솔더를 접속시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 치아조직 구리-니켈층을 갖는 솔더 접합 구조의 제조 방법.
(a) immersing a substrate having a pad in an electrolytic plating bath filled with a plating solution;
(b) Direct current electrolytic plating is performed on the pads of the substrate immersed in the electrolytic plating bath at a current density of 0.04 to 0.05 A / dm 2 to produce copper (Cu): 50 to 65 wt% and nickel (Ni): 35 to 50 Forming a copper-nickel tooth tissue layer constituted by weight%; And
(c) contacting the solder on the copper-nickel tooth tissue layer and then reflowing the copper-nickel tooth tissue layer to connect the solder to the copper-nickel tooth tissue layer. Wherein the solder joint structure is formed on the substrate.
제4항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 구리-니켈 치아조직층과 솔더 간의 계면에는
커켄달 보이드(Kirkendall void)의 생성이 억제되는 특성을 가지는 금속간 화합물층이 형성되는 것을 특징으로 하는 치아조직 구리-니켈층을 갖는 솔더 접합 구조의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
In the step (c)
At the interface between the copper-nickel tooth tissue layer and the solder
Wherein an intermetallic compound layer having a property of inhibiting the formation of a Kirkendall void is formed on the surface of the dental tissue copper-nickel layer.
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