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MK CHEM & TECH 技術營業部 1

2003. 04. 222003. 04. 22


인쇄회로기판 공정흐름

1. 표면처리의 종류

1-1.각 표면처리별 시장 점유율

1-2. HASL

1-3. OSP

1-4. ENIG

1-5. Immersion Tin

1-6. Immersion Silver

2. Electoless Nickel Immersion Gold

2-1. 무전해 니켈의 반응 메카니즘

2-2. 무전해 니켈의 접합강도-1


2-4. 솔더링의 원리

2-5. 무전해 금도금의 문제점 및 방안

3. Immersion Tin

3-1. Immersion Tin Chemistry

3-2. Reflow에 따른 Sn 두께 변화.

3-3. Deposition Behavior of Immersion Tin

3-4. 무전해 석도금의 문제점

3-5. Source of Internal stress in Tin Deposit

인쇄회로기판 공정흐름

1. 표면처리의 종류

1-1.각 표면처리별 시장 점유율

1-2. HASL

1-3. OSP

1-4. ENIG

1-5. Immersion Tin

1-6. Immersion Silver

2. Electoless Nickel Immersion Gold




2-4. 솔더링의 원리

2-5. 무전해 금도금의 문제점 및 방안

3. Immersion Tin


3-2. Reflow에 따른 Sn 두께 변화.

3-3. Deposition Behavior of Immersion Tin

3-4. 무전해 석도금의 문제점

3-5. Source of Internal stress in Tin Deposit

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4. Hard Gold

5. Soft Gold

5-1. 금도금 사양 비교

6. 특성별 표면처리 비교

6-1. 솔더젖음성의 표면처리별 비교

6-2.기타 신뢰성 관련 표면처리별 비교

7. 표면처리의 향후 방향

* Reference

Electroless Gold Plating

Reliability Test of Solder Ball Joint

Comparison of Pull Strength of Solder Ball Joint

4. Hard Gold

5. Soft Gold

5-1. 금도금 사양 비교

6. 특성별 표면처리 비교

6-1. 솔더젖음성의 표면처리별 비교

6-2.기타 신뢰성 관련 표면처리별 비교

7. 표면처리의 향후 방향

* Reference



Comparison of Pull Strength of Solder Ball Joint

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1. 표면처리의 종류1. 표면처리의 종류

PCB 기판위에 Soldering (납땝)

에 의해 제품을 실장할 경우

예 : 휴대폰 단말기. 각종 통신제품.

PCB 기판위에 Soldering (납땝)

에 의해 제품을 실장할 경우

예 : 휴대폰 단말기. 각종 통신제품.

Au wire bonding을 하는 제품

예 : BGA , COB 기판

Au wire bonding을 하는 제품

예 : BGA , COB 기판

내마모성과 경도를 요구하는 제품

예 : PCB 단자. 반도체 메모리 모듈

내마모성과 경도를 요구하는 제품

예 : PCB 단자. 반도체 메모리 모듈


Use of PCB surface finishes 2002 est. (Source: IPC TMRC).

Surface Finish Percent Market Share (TMRC Data).


공 정

. 프리클리너

. 플럭스

. 솔더 침적

. 열풍 액절

. 린스/클리닝

공 정

. 프리클리너

. 플럭스

. 솔더 침적

. 열풍 액절

. 린스/클리닝

장/단점

장 점

. 적용성

. 변색없음

. 경험

. 젖음성

장/단점

장 점

. 적용성

. 변색없음

. 경험

. 젖음성

단 점

. 평탄도

. 워피지, 트위스트

. 환경규제-리드(Pb)

. 브리징, 플러깅

단 점

. 평탄도

. 워피지, 트위스트

. 환경규제-리드(Pb)

. 브리징, 플러깅

세부설명

. 공 정 : 수직/수평

. 사이클타임 : 15 ~ 20분

. 두 께 : 1 ~ 40 미크론

세부설명


. 사이클타임 : 15 ~ 20분

. 두 께 : 1 ~ 40 미크론

Hot AirSolder LevelHot AirSolder Level

OpticalOptical SEMSEM EquipmentEquipment Surface

Structure

Surface

Structure


공 정

. 클리너

. 마이크로에칭

. 프리딥/산세

. 유기코팅

공 정

. 클리너


. 프리딥/산세

. 유기코팅

장/단점

장점

. 적용성

. 저비용

. 경험

. 솔더접합강도

장/단점

장점

. 적용성

. 저비용

. 경험

. 솔더접합강도

단점

. 보관기간 . 검사

. 변색 . Reflow 제한

. 접촉불가

. 젖음성

단점

. 보관기간 . 검사

. 변색 . Reflow 제한

. 접촉불가

. 젖음성

세부설명


. 사이클타임 : 6 분

. 두 께 : 0.2 미크론

세부설명


. 사이클타임 : 6 분

. 두 께 : 0.2 미크론

Organic

Solderability

Preservative

Organic

Solderability

Preservative


Structure

Surface

Structure


공 정

. 클리너 . 무전해니켈

. 에칭 . 무전해 금

. 산세

. 프리딥

. 촉매

. 포스트딥

공 정

. 클리너 . 무전해니켈

. 에칭 . 무전해 금

. 산세

. 프리딥

. 촉매

. 포스트딥

장/단점

장점

. 보관기간

. 표면 접촉

. 젖음성

. Reflow 횟수

장/단점

장점

. 보관기간

. 표면 접촉

. 젖음성

. Reflow 횟수

단점

. 고비용 . 번짐/스킵

. 공정복잡

. Ni 금속간화합물

. 흑화

. 솔더마스크 손상

단점

. 고비용 . 번짐/스킵

. 공정복잡

. Ni 금속간화합물

. 흑화


세부설명

. 공 정 : 수직

. 사이클타임 : 60분

. 두 께 : Ni 3 ~ 5 μm

: Au 0.03~0.1 μm

세부설명

. 공 정 : 수직

. 사이클타임 : 60분

. 두 께 : Ni 3 ~ 5 μm

: Au 0.03~0.1 μm

Electroless Nickel

Immersion Gold

Electroless Nickel

Immersion GoldOpticalOptical SEMSEM EquipmentEquipment Surface

Structure

Surface

Structure


공 정

. 클리너


. 프리딥

. Immersion Tin

공 정

. 클리너


. 프리딥

. Immersion Tin

장/단점

장점

. 저비용

. 자동화

. 젖음성

. 프레스에 적합

장/단점

장점

. 저비용

. 자동화

. 젖음성

. 프레스에 적합

단점

. 적용성 . 보관기간

. 위스커

. Thiourea


단점

. 적용성 . 보관기간

. 위스커

. Thiourea


세부설명


. 사이클타임 : 15 ~ 20 분

. 두 께 : 0.8 ~ 1.0 μm

세부설명


. 사이클타임 : 15 ~ 20 분

. 두 께 : 0.8 ~ 1.0 μm


Structure

Surface

StructureImmersion TinImmersion Tin


공 정

. 클리너


. 프리딥

. Immersion Silver

공 정

. 클리너


. 프리딥

. Immersion Silver

장/단점

장점

. 저 비용

. 표면 접촉

. 단순 공정

장/단점

장점

. 저 비용

. 표면 접촉

. 단순 공정

단점

. 적용성

. 변색

. 마이그레이션

단점

. 적용성

. 변색

. 마이그레이션

세부설명


. 사이클타임 : 6 ~ 10 분

. 두 께 : 0.2 미크론

세부설명


. 사이클타임 : 6 ~ 10 분

. 두 께 : 0.2 미크론

Immersion SilverImmersion Silver OpticalOptical SEMSEM EquipmentEquipment Surface

Structure

Surface

Structure


탈

지

탕

세

수

세

수

세

에

칭

수

세

수

세

산

세

프리딥

수

세

수

세

수

세

수

세

무전해니켈

산

세

수

세

수

세

회수세

촉

매

포스트딥

수

세

수

세

수

세

수

세

수

세

무전해금

수

세

2. Electroless Ni-P/ Au Plating Process 2. Electroless Ni-P/ Au Plating Process

● 납땝(Soldering)을 통한 부품실장.

● Au wire bonding

Epoxy + Glass fiber

Cu

Ni-P

Au

Cu 두께 : 25㎛ 이상Cu 두께 : 25㎛ 이상

Ni-P 두께 : 3 ~ 6 ㎛Ni-P 두께 : 3 ~ 6 ㎛

Au 두께 : 0.03 ~ 0.1㎛Au 두께 : 0.03 ~ 0.1㎛

● Ni-P 층은 비정질 구조 (Amorphous)로

내마모성이 우수하다.

● 니켈층에 P(인)의 함유로 내식성이 우수함

● Au의 순도는 99.99% , 우수한 전기전도도

● 제품 실장시 여러 번 Reflow를 실시할 수

있다. ( 4 ~ 5 회 )


1-7. 무전해 니켈 도금의 원리

니켈-인 합금의 석출 원리

NiSO4 + 2NaH2PO2 + 2H2O Ni + 2NaH2PO3 + H2 + H2SO4

NaH2PO2 + H P + NaOH + H2O

NiSO4 Ni2+ 생성NaH2PO2 H2PO2

- 생성H2PO2

- 2H 생성

Ni 2+ + 2H Ni 0 + 2H +[ H2PO2 ]- + H H2O + OH- + P0

[ H2PO2 ]- + H2O H[ HPO3 ]- + H2

촉매 : Pd, Au, Pt등 사용



Reflow후 경과 시간에 따른 Shear 강도

솔다 접합 후 Ball shear 강도 측정까지 방치된 시간이 강도 및 파괴모드에 영향을 준다.솔다 접합 후 Ball shear 강도 측정까지 방치된 시간이 강도 및 파괴모드에 영향을 준다.

2-2. 무전해 니켈의 Solder 접합 강도 - 1


무전해 Ni-P 도금에서 P 함유율의 영향

P 함유율이 높아지면 파괴 모드에서 Ni-Solder면이 많아지고 Ball Shear 강도도 저하된다.P 함유율이 높아지면 파괴 모드에서 Ni-Solder면이 많아지고 Ball Shear 강도도 저하된다.

2-3. 무전해 니켈의 Solder 접합 강도 – 2


Epoxy + Glass fiber

Cu

SR SR Ni

Au

Epoxy + Glass fiber

Cu

Solder Ball

SR SRNi

Au

Epoxy + Glass fiber

Cu

SRSR

부품 ( 반도체 칩, BGA기판 )

Solder Ball

Ni

부품 ( 반도체 칩, BGA기판 )

Solder 접합의 원리

1) Solder 접합시 Au층의 확산

2) Ni-P 막 표면의 Ni, P 확산

3) 금속간 화합물 Ni3Sn4의 생성

Ni-P막 표면층에서 P 함량 증가( Ni3P의 형성)

중간층 Ni – Sn – P의 형성

Ni88P12 + 208/3 Sn4

Ni3P + 52/3 Ni3Sn4

P-rich Ni3Sn4


무전해 금도금의 문제점

● 치환반응에 의한 Ni 표면의 침식

● SR 잉크 용출에 의한 니켈표면

의 Black Pad화

납땝성에 악영향

Solder 접합 강도 저하

Solder 퍼짐성 저하

향후 대응방안

● OSP + ENIG Process● 무전해 니켈 + 무전해 Pd +

Immersion Au Process● Direct immersion Au Process● Ni 층 산화를 억제하는 Au

도금약품 사용.

정상 표면사진


탈

지

탕

세

수

세

수

세

에

칭

수

세

수

세

산

세

OM

처리

수

세

수

세

수

세

수

세

무전해석

탕

세

수

세

수

세

수평라인

변색방지

3. Immersion Tin Plating Process 3. Immersion Tin Plating Process

● 납땝(Soldering)을 통한 부품실장.

● 공정이 단순하다.

● 환경 친화적 공정 ( Lead Free ) Cu

Sn3 Cu

Sn6 Cu5

Sn

0.4 ㎛

0.8 ~ 1.0 ㎛


Immersion Tin의 일반적 반응

ORMECON CSN 반응

일반적인 immersion Tin 반응의 경우 intermetal 층이 많이 발생

하지만, Ormecon CSN의 경우Immersion Tin 도금 전에 전도성

Polymer(Organic Metal)처리를 하여 intermetal층이 적게 형성

되어 장기간 방치하여도 Solderbility가 지속적으로 유지된다.

OM = Organic Metal ( 유기물질로 구성되어 있으며 전자를 주고

받을 수 있는 금속 성질을 가지는 물질 )

일반적인 immersion Tin 반응의 경우 intermetal 층이 많이 발생

하지만, Ormecon CSN의 경우Immersion Tin 도금 전에 전도성

Polymer(Organic Metal)처리를 하여 intermetal층이 적게 형성

되어 장기간 방치하여도 Solderbility가 지속적으로 유지된다.

OM = Organic Metal ( 유기물질로 구성되어 있으며 전자를 주고

받을 수 있는 금속 성질을 가지는 물질 )

OM OMred


일반적인 Tin의 조직 전도성 폴리머를 사용한 조직


3-2. Reflow에 따른 Sn의 두께 변화

Reflow횟수

순수 Sn의 두께가

0.2 ㎛ 이하가 되

면 납땝성에 문제

가 발생한다.

Reflow를 3회 까지 할

경우, 최소 Sn의 두께

를 0.8 μm 이상 올려

야 합니다. Reflow 횟수가 증가할

수록 intermetal 층이

증가하여 순수 Sn의

두께가 줄어 듭니다.

Reflow를 3회 까지 할

경우, 최소 Sn의 두께

를 0.8 μm 이상 올려

야 합니다. Reflow 횟수가 증가할

수록 intermetal 층이

증가하여 순수 Sn의

두께가 줄어 듭니다.


● Sn-Cu의 intermetal층은 Cu3Sn (ε-Phase) 와 Cu6Sn5 (η-Phase)층으로 이루어져 있다.

● Cu3Sn (ε-Phase)이 먼저 형성되고, 그 위에 Cu6Sn5 (η-Phase)층이 형성된다.

● 초기에 형성된 Intermetal층의 두께가 약 0.4 µm 정도로 계속 유지된다.

● Sn-Cu의 intermetal층은 Cu3Sn (ε-Phase) 와 Cu6Sn5 (η-Phase)층으로 이루어져 있다.

● Cu3Sn (ε-Phase)이 먼저 형성되고, 그 위에 Cu6Sn5 (η-Phase)층이 형성된다.

● 초기에 형성된 Intermetal층의 두께가 약 0.4 µm 정도로 계속 유지된다.

Cu Cu

CuxSny 0,4 µm(0,2 - 0,6 µm)

Level of Copper

Beforeimmersion

1 minimmersion

3 minimmersion

9 minimmersion

20 minimmersion

Sn 0,3 µm(0.2 – 0.4 µm)

Cu

CuxSny

Sn 0,5 µm(0,4 - 0,6 µm)

Cu

CuxSny

Sn 1,0 µm(0,7 - 1,1 µm)

Cu

CuxSny

Sn 1,3 µm1,1 - 1,6 µm

Immersion Temperature 60°C

0,4 µm0,2 - 0,6 µm

0,4 µm(0,2 - 0,6 µm) 0,4 µm

(0,2 - 0,6 µm)

3-3. Deposition behavior of immersion tin


Filament 형 Nodule 형

Column 형 Mound 형

Whisker : Tin 조직의 일부가 물리적

Stress, 표면오염 등 여러가지 원인으로

조직이 계속 성장하는 현상.

Whisker가 성장함으로 좁은 회로에서

회로와 회로가 연결되어 문제가 발생함.

Cu층에서 Sn층으로 계속해서 확산이

일어나 순수 Sn층의 감소로 납땝성에

영향을 미친다.


3-5. Sources of Inernal Stress in Tin Deposit

Internal StressInternal Stress

IntermetallicsIntermetallics Organic ImpuritiesOrganic Impurities Deposit MicrostructureDeposit Microstructure


탈

지

탕

세

수

세

수

세

에

칭

수

세

수

세

산

세

전해니켈

수

세

수

세

수

세

수

세

Au 스트라이크

수

세

회수세

산

세

수

세

수

세

수

세

수

세

수

세

전해

금

수

세

4. Hard Gold 도금 공정4. Hard Gold 도금 공정

Au-Co 합금 Immersion Au

● Hard Gold 용 하지 니켈의 경우 광택

도금을 한다.

● Au의 순도 : 99.7 % , 결정 조직제로

미량의 코발트(Co)가 공석된다.

- 경도 증가

● Hard Gold는 내마모성을 요구하는 부분

에 사용된다.

● 경도 160 ~ 210 Hv

● 주로 적용되는 제품은 반도체 메모리

모듈, 단자 등의 제품.


탈

지

탕

세

수

세

수

세

에

칭

수

세

수

세

산

세

전해니켈

수

세

수

세

수

세

수

세

Au 스트라이크

수

세

회수세

산

세

수

세

수

세

수

세

수

세

수

세

전해

금

수

세

5. Soft Gold 도금 공정5. Soft Gold 도금 공정

Cu = 25 ㎛

Ni = 4 ~ 6 ㎛

Base Material

Au = 0.5~1.0 ㎛

Au Wire

● Soft Gold 용 하지 니켈의 경우 무광택

도금을 한다.

● Au의 순도 : 99.99 % , 결정 조직제로

미량의 탈륨(Tl)이 공석된다.

● Soft Gold는 Au wire bonding 을 목적

으로 한다.

● 경도 60 ~ 100 Hv

● 주로 적용되는 제품은 BGA, COB, LED

등의 제품.


단말기, 통신용콘넥타, 모듈, BGA, COB, LED등 패키지

분야적 용 제 품

납땝성, 내식성내마모성,저접촉저항,납땝성본딩성, 납땝성,내식성요 구 특 성

60 ~ 100 Hv160 ~ 210 Hv60 ~ 100 Hv경 도

99.9 이상99.7~ 99.99%99.99 % 이상순 도

0.03㎛ 이상 (두께 : 0.08㎛ 이상) 0.76 ㎛ 이상0.5 ㎛ 이상두 께 사 양

무전해 경질 니켈전해 경질 니켈(반광,광택)전해 연질 니켈(무광)하 지 도 금

인 ( P )코발트 ( Co )탈륨 ( Tl )합금(결정조직제)

-1.5 A/d㎡ ( 0.5 ~ 3.0 )0.2 A/d㎡ (0.15~0.3)전 류 밀 도

4.5 ( 4.0 ~ 5.0 )4.0 ( 3.6 ~ 4.3 )6.2 ( 6.0 ~ 6.4 )Bath PH

85 ℃ ( 83 ~ 90 ℃ )42 ℃ ( 38 ~ 52 ℃ )68 ℃ ( 65 ~ 70 ℃ )Bath 온 도

2 g/Lt ( 1 ~ 3 g/Lt )4 g/Lt ( 2 ~ 8 g/Lt )8 g/Lt ( 6 ~ 12 g/Lt )Au 농 도

IM-Gold IBOrobright - HSTemperesist - EX약 품 명

Immersion GoldHard GoldSoft Gold도 금 사 양


上中下中中下솔더마스크 호환성

가능가능가능불가(수평만)가능수직/수평 제조

中中中長長Shelf-Time

가능가능가능가능문제있음화인 피치 적용성

가능가능가능가능불가패드 평탄도

下下下中中上다중 솔더링

불가가능가능가능가능플럭스 호환성

低中中中高低비용부분

中中中中下환경친화성

中中中中上폐수처리

문제있음가능가능가능가능전기 테스트

OSPTinSilverNi/AuHAL특 성

6. 특성별 표면처리 비교6. 특성별 표면처리 비교


88%89%87%91%초 기

XOXOBaking(120℃/3h) + 1회 reflow(260℃)

XOXO14days at RT after baking + reflow

XXXOFinger printed after baking + reflow

XXXOScratched after baking + reflow

XXXX85℃/85%/24h after baking + reflow

XXXODipping into solvent for 1h after baking + reflow

OSPTinSilverNi/Au조 건

솔더젖음성(Solder spreadability) %

%: 완전 젖음성 = 100%

O: 초기와 비슷(외관), X: 초기보다 나쁨(외관)


26℃, 60% RH, DC 100V/60min에서 측정

* 24h후 전류 초과

Ion Migration Test(L/S=80/80) O : No migration, X : Migration observed

OOX*O85℃/85% RH/5V/240H

Surface Insulation Resistance O : >108 Ohm, X : <108 Ohm

1.31.31.31.3Average (kg/mm2)

Pad Pull Strength

OOOOJIS 5012 9,4, 10cycles

OSPTinSilverNi/Au조 건


7. 표면처리의 향후 방향7. 표면처리의 향후 방향

환경적인 요인으로 다른 공정으로

대체될 예정.

환경적인 요인으로 다른 공정으로

대체될 예정.

무전해 금도금 공정과 병행하여

진행.

무전해 금도금 공정과 병행하여

진행.

Selectrive gold 도금 또는 Direct

Gold 도금으로 변경.

Selectrive gold 도금 또는 Direct

Gold 도금으로 변경.

근본적인 Whisker 문제를 가지고

있음.

근본적인 Whisker 문제를 가지고

있음.

변색 및 신뢰성 확보가 필요함.변색 및 신뢰성 확보가 필요함.

환경적인 규제때문에 Lead free

공정으로 변경

환경적인 규제때문에 Lead free

공정으로 변경

고집적화 패키징에 대응하기 위해

일부 무전해 금도금 사양으로 변경.

고집적화 패키징에 대응하기 위해

일부 무전해 금도금 사양으로 변경.


Japan pure chemical MKMK ChemChem & Tech & Tech


Improve Solderball joint reliability on electroless

Ni-P/Au plating

Eliminate electroless Ni-P layer( 무전해 니켈 공정 없음 )

IM-GOLD PC(Immersion Gold on Cu)

Electroless Gold for fine pitch bonding pad

Prevent the oxidizing of Ni-P( 니켈층의 Attack 방지 )

Selective plating of immersion Gold

( 일반적인 무전해 금)

Thermally stable bath forreduction plating( 환원형 금도금 )

IM-GOLD PN(Immersion Gold on Ni)

IM-GOLD IB(Immersion Gold on high-P Ni)

NEO-GOLD(Noncyan, auto catalytic)


1 . 2 7mm

1 . 2 7mm

0.76mm

0.51mm

Substrate for solder ball testSolder resist thickness 20um

Cu pad thickness 12um

Resin substrate Thickness 1mm

Size 4cm X 4cm

Pull & shear testPull & shear strength

Destruction mode analysis

Ball ShearTest

PullTest




Comparison of pull-strength of solder ball joint(Cu/electroless Ni-P/Immersion Au)

S/RS/R

Cu

Sn/Pb

substrate

Sn/Pb

S/RS/R

Pull strength :more than 2.5Kｇ

Cu

substrate

S/RS/R Ni

Sn/Pb

Pull strength : 1.6 - 2.3Kｇ( occasionally less than1 Kg )

Substrate

S/RS/R

Ni

Sn/Pb

(Cu/Immersion Au)

(Cu/Immersion Au)(Cu/electroplated Ni/electroplated Au) ((test))

Cu

Pull strength :more than 2.5Kｇ

substrate

Pull strength ：3.4Kｇ-3.6Kg


Cu

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