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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

김성혁 (안동대학교, 안동대학교 대학원)

지도교수
박영배
발행연도
2013
저작권
안동대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수7

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

초록· 키워드

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While military and aerospace electronics are currently exempt from Restriction of Hazardous Substances Directive (RoHS) prohibitions on Pb in electronics, the lead-free transition in the consumer electronics industry has influenced exempt industries. Lead-free solders, particularly Sn-Cu and Sn-Ag solder alloy, are becoming more and more popular in the electronic packaging industry, due to the environmental concerns associated with lead. Among the various Sn-Cu and Sn-Ag solder alloys, meanwhile, electromigration of the flip chip lead-free solder bump has recently been one of the most important reliability issues in flip chip packages. The chip package mounted on the PCB is considerably affected by the surface finish materials or technologies of copper pad. Currently, electroless nickel immersion gold (ENIG) and organic solderability preservative (OSP) processing as environment-friendly surface finishes process are widely used. Accordingly, the interfacial reaction between the surface finish and the lead-free solder of a solder joint has become an important package reliability issue. Many studies have been conducted to evaluate the reliability of Pb-free solder joints with respect to solder alloy types and surface finishes. Nevertheless, there is little understanding of correlation between interfacial reaction characteristic and reliabilities with respect to various surface finishes. Therefore, we systematically investigated the effects of PCB surface finishes on the interfacial reaction characteristic and reliabilities of Sn-0.7Cu and novel Sn-3.5Ag solder joints.
The ENIG finish shows slow growth kinetics for the (Cu,Ni)6Sn5 and Ni3Sn4 intermetallic compound (IMC) phases at both Sn-0.7Cu and Sn-3.5Ag solder joints, while the OSP finish show extensive growth of Cu-Sn total IMC (Cu6Sn5+Cu3Sn) under annealing and electrical current stressing. moreover, the ENIG finish shows a strong diffusion barrier effect as compared to the OSP finish, which leads to better electrical reliability at electromigration lifetime evaluation. Cu consumption was found to be closely related to the electrical resistance behavior, which indicates that Cu consumption leads to void propagation and consequently to abrupt electric open failure of the solder bump. Both Sn-0.7Cu and Sn-3.5Ag solder bump showed very similar electrical failure behavior.
The shear strength of both Sn-0.7Cu and Sn-3.5Ag solder joints increased and the shear energy decreased with increasing shear speed, which is related to time-independent plastic hardening and time-dependent strain-rate sensitivity. At interface between each surface finish and solders, brittle fracture mode was dominant with increasing shear speed.
We revealed that ENIG surface finish have better interfacial reaction characteristic and electrical and mechanical reliability than OSP surface finish regardless of solder alloy compositions.

목차

제 1 장 서론 1
제 2 장 이론적 배경 3
2.1 전자 패키징의 동향 3
2.2 솔더링(soldering) 6
2.2.1 솔더링(soldering)의 정의 6
2.2.2 솔더링(soldering)의 목적과 특성 7
2.3 무연 솔더(Pb-free solder) 7
2.3.1 Introduction 7
2.3.2 Pb-free solder 합금과 특징 8
2.4 PCB 표면처리 10
2.4.1 Introduction 10
2.4.2 PCB 표면처리의 종류와 특징 10
2.5 Electromigration 12
2.5.1 Electromigration의 정의 12
2.5.2 Black''s equation 16
2.6 Electromigration 연구동향 17
2.6.1 BGA 솔더 범프에서의 electromigration 연구동향 17
제 3 장 실험방법 20
3.1 Sn-0.7Cu 및 Sn-3.5Ag 시편 제작 20
3.1.1 Ex-situ electromigration 실험 시편 제작 20
3.1.2 In-situ electromigration 및 열처리 실험 시편 제작 26
3.1.3 솔더 접합부 계면의 강도평가를 위한 시편 제작 24
3.2 Ex-situ electromigration 수명평가 25
3.2.1 Joule heating 온도 측정 25
3.2.2 저항 측정 25
3.3 In-situ electromigration 및 열처리 실험 방법 27
3.3.1 시편 홀더 27
3.3.2 Joule heating 온도 및 저항 측정 27
3.3.3 실시간 Cu consumption width 측정 및 분석 29
3.3.4 볼 전단 시험을 통한 기계적 강도 특성 평가 29
3.3.5 실시간 금속간화합물 두께 측정 및 분석 31
제 4 장 연구결과 및 고찰 32
4.1 PCB 표면처리 조건에 따른 Sn-0.7Cu 솔더 접합부의 계면 반응 특성과 신뢰성에 관한 연구 32
4.1.1 열처리 조건에 따른 Sn-0.7Cu 솔더 범프 내 미세구조 변 화에 대한 표면처리의 영향 32
4.1.1.1 접합공정 후 표면처리에 따른 Sn-0.7Cu 솔더 범프 내 미세구조 분석 32
4.1.1.2 열처리 및 표면처리에 따른 Sn-0.7Cu 솔더 범프 내 금속간화합물의 성장거동 33
4.1.2 Electromigration에 의한 Sn-0.7Cu 솔더 범프의 수명평가와 손상기구에 대한 표면처리의 영향 39
4.1.2.1 표면처리에 따른 Sn-0.7Cu 솔더 범프의 electromigration 수명평가 및 손상기구 규명 39
4.1.3 볼 전단시험을 이용한 Sn-0.7Cu 솔더 범프의 기계적 강도에 대한 표면처리의 영향 46
4.1.3.1 표면처리에 따른 Sn-0.7Cu 솔더 범프의 기계적 강도에 대한 전단속도의 영향 46
4.2 PCB 표면처리 조건에 따른 Sn-3.5Ag 솔더 접합부의 계면 반응 특성과 신뢰성에 관한 연구 54
4.2.1 열처리 조건에 따른 Sn-3.5Ag 솔더 범프 내 미세구조 변화에 대한 표면처리의 영향 54
4.2.1.1 접합공정 후 표면처리에 따른 Sn-3.5Ag 솔더 내 미세구조 분석 54
4.2.1.2 열처리 및 표면처리에 따른 Sn-3.5Ag 솔더 범프 내 금속간화합물의 성장거동 56
4.2.2 Electromigration에 의한 Sn-3.5Ag 솔더 범프의 수명평가와 손상기구에 대한 표면처리의 영향 60
4.2.2.1 표면처리에 따른 Sn-3.5Ag 솔더 범프의electromigration 수명평가 및 손상기구 규명 60
4.2.3 볼 전단시험을 이용한 Sn-3.5Ag 솔더 범프의 기계적 강도에 대한 표면처리의 영향 66
4.2.3.1 표면처리에 따른 Sn-3.5Ag 솔더 범프의 기계적 강도 에 대한 전단속도의 영향 66
제 5 장 결론 70
참고 문헌 71
Abstract 76
감사의 글 78

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