Journal of the Microelectronics and Packaging Society (마이크로전자및패키징학회지)

The Korean Microelectronics and Packaging Society (한국마이크로전자및패키징학회)
권호 표지

Spalling of Intermetallic Compound during the Reaction between Electroless Ni(P) and Lead-free Solders

무전해 Ni(P)과 무연솔더와의 반응 중 금속간화합물의 spalling 현상에 관한 연구

  • Sohn Yoon-Chul (Dept. of Materials Science and Engineering, KAIST) ;
  • Yu Jin (Dept. of Materials Science and Engineering, KAIST) ;
  • Kang S. K. (IBM T. J. Watson Research Center, NY, USA) ;
  • Shih D. Y, (IBM T. J. Watson Research Center, NY, USA) ;
  • Lee Taek-Yeong (Dept. of Materials Engineering, Hanbat National University)
  • Published : 2004.09.01
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Abstract

Electroless Ni(P) has been widely used for under bump metallization (UBM) of flip chip and surface finish layer in microelectronic packaging because of its excellent solderability, corrosion resistance, uniformity, selective deposition without photo-lithography, and also good diffusion barrier. However, the brittle fracture at solder joints and the spatting of intermetallic compound (IMC) associated with electroless Ni(P) are critical issues for its successful applications. In the present study, the mechanism of IMC spatting and microstructure change of the Ni(P) film were investigated with varying P content in the Ni(P) film (4.6,9, and $13 wt.\%$P). A reaction between Sn penetrated through the channels among $Ni_3Sn_4$ IMCs and the P-rich layer ($Ni_3P$) of the Ni(P) film formed a $Ni_3SnP$ layer. Thickening of the $Ni_3SnP$ layer led to $Ni_3Sn_4$ spatting. After $Ni_3Sn_4$ spatting, the Ni(P) film directly contacted the molten solder and the $Ni_3P$ phase further transformed into a $Ni_2P$ phase. During the crystallization process, some cracks formed in the Ni(P) film to release tensile stress accumulated from volume shrinkage of the film.

무전해 Ni(P)는 솔더링 특성과 부식저항성이 우수하고 표면 거칠기가 적으며 원하는 금속 상에 선택적으로 도금이 가능하여 전자패키지에서 반도체칩과 기판의 표면 금속층으로 촉 넓게 사용되고 있다. 그러나 솔더와의 반응 중 금속간 화합물의 spalling과 솔더 조인트에서의 취성파괴 문제가 성공적인 적용의 걸림돌이 되어 왔다. 본 연구에서는 각각 조성이 다른 세가지 Ni(P)막 (4.6,9, and $13 wt.\%$ P)을 사용하곡 솔더와의 반응시 무전해 Ni(P)막의 미세구조 및 상 변화와 금속간화합물의 spatting 거동을 면밀히 조사하였다. $Ni_3Sn_4$ 화합물 아래로 침투한 Sn과 P-rich layer ($Ni_3P$)와의 반응에 의해 $Ni_3SnP$ 층이 형성되며 $Ni_3SnP$ 층이 성장함에 따라 $Ni_3Sn_4$가 spalling됨이 관찰되었다. Spalling 후에는 Ni(P)막이 용융된 솔더와 직접 접촉하게 되어 Ni(P)막의 결정화가 가속화되고 $Ni_3P$상이 $Ni_2P$상으로 변태되었다. 또한 이러한 결정화 과정 중 Ni(P)막의 부피가 감소됨에 따라서 인장응력이 발생하여 막 내부에 크랙이 발생하였다.

Keywords