1. 서 론
최근 반도체 산업의 발전에 따라 전자 장치의 소형화, 경량화, 미세화가 이루어지고 있는 상황에서 솔더 조인트의 크기 감소 및 레이저를 이용한 마이크로 접합 기술이 확대되고 있다1). 이는 마이크로전자, 자동차산업, 항공우주산업 등에서 널리 적용되고 있다2-4).
솔더 조인트는 전자 칩 패키지 구조에서 칩과 기판 사이를 전기적으로 연결하고, 장치의 안정적인 작동을 위해 열을 방출하는 역할을 한다5,6). 솔더 조인트는 일반적으로 패키지에서 약한 부분에 속하기 때문에 고장날 위험성이 높아서 패키지의 신뢰성에 있어서 중요한 부분을 차지한다7). 산업계에서 주로 사용되는 Sn을 기반으로 한 솔더의 경우, 용융된 솔더가 기판과 접촉 시 계면에서 금속간 화합물 (intermetallic compound, IMC)이 생성되며, 고온의 환경에서 지속적으로 노출되면 금속간 화합물이 성장하게 된다. 금속간 화합물은 취성이 크고, 높은 경도로 인해 솔더 조인트 신뢰성을 저하시킨다8). 최근에는 무연 솔더에 여러가지(Ni9), Co10), TiO211), ZnO212), Cu-modified carbon nanotube13)) 원소 및 나노 입자를 첨가하여 인터페이스에서 IMC의 성장을 억제하는 방식도 연구되고 있다. 솔더 페이스트 (solder paste)는 표면 실장 부품을 PCB와 연결하는데 사용되며, 통상 스탠실 프린팅 방법을 통해 기판에 도포된다. 산업계에서 주로 사용되는 솔더 페이스트는 type-4, 5, 6 (각각의 최대 분말 크기: 38㎛, 25㎛, 15㎛)으로 미세 피치에서는 프린팅 성능이 떨어지는 단점이 있다. 특히 micro-LED (크기<100㎛)와 mini- LED (크기 100~200㎛)의 경우 더욱 미세한 분말을 사용한 솔더 페이스트가 요구되기 때문에 type-7, 8 (각각의 최대 분말 크기: 11㎛, 8㎛) 솔더 페이스트에 대한 연구가 진행중이다14,15).
현재 전자패키징에서 사용되는 대량 리플로우(mass reflow, MR) 방식은 솔더링 온도에서 전자부품과 기판에 솔더를 용융시켜 접합하는 공정으로, 비용이 저렴하고, 생산성이 높다는 장점이 있다. 그러나 리플로우 공정 중에 고온의 오븐에서 가열되어 열팽창이 발생한다. 패키지가 가열 및 냉각되는 과정에서 웨이퍼와 칩 간의 열팽창 계수 차이로 인해 휨 현상 (warpage)이 발생하고, 이로 인해 응력이 발생하여 균열, 박리 및 파괴 등의 여러가지 문제를 야기한다16-18).
이러한 문제점을 해결하기 위해 고안된 레이저 접합 공정은 짧은 접합 시간, 국부적인 가열, 비접촉 가열 및 제어가 용이하다는 장점으로 열에 민감한 재료에 사용하기 적합하다1,2). 레이저 접합 공정은 수백ms~수s까지의 아주 짧은 접합 시간으로 열팽창 계수에 의한 응력 발생을 감소시킬 수 있으므로 주목받고 있다1,19,20). 레이저 접합 공정 기술이 발전하면 패키징 단계에서의 경박단소화 및 수율 향상에 도움을 줄 것으로 예상된다. 본 논문에서는 레이저 및 레이저 접합/솔더링 기술에 대해 조사하고, 고집적, 고신뢰성 패키지를 위한 최근 레이저 솔더링 기술의 동향을 소개하고자 한다. 아울러, 본 저자들이 연구한 type-8 SAC305 솔더 페이스트 및 mini-LED의 LAB 솔더링 적용 사례도 소개하였다.
2. 레이저의 원리
레이저 (Laser)는 유도방출광선증폭 (Light Ampli- fi cation by the Stimulated Emission of Radi- ation)의 약자로 고에너지 상태의 원자, 분자 또는 이온 내부에 축적된 에너지를 방출하여 빛을 생성한다. 레이저는 특정 주파수 또는 특정 색상의 빛을 방출하는데 이러한 특징을 단색성이라고 한다. 레이저 광의 파장은 공간과 시간에 동일한 위상을 갖고, 이를 간섭성 (coherence)이라고 한다. 또한 빛이 사방으로 퍼지지 않고 일정한 방향으로 직진하는 직진성을 나타낸다. 레이저의 에너지 밀도는 매우 높고, 작은 면적에 에너지를 집중시키기 쉽기 때문에 물질을 가열하는데 효율적이다21). 레이저 소스는 구성하는 물질 상태에 따라 고체, 액체, 기체, 반도체 레이저 등이 있다. 기존에는 고체 Nd:YAG 레이저와 CO2 레이저가 많이 사용되었으며, 다이오드 레이저의 개발로 인해 반도체 레이저도 각광받고 있다22). 다음에 마이크로 솔더링에 자주 적용되는 Nd:YAG 레이저와 다이오드 레이저에 대해 간략히 소개한다.
2.1 Nd:YAG 레이저
Nd:YAG 레이저는 YAG (yttrium aluminum garnet) 결정에 Nd (네오디움)를 도핑하여 제작하는 고체 레이저이다. 네오디움은 다른 도핑 원소 보다 높은 출력의 레이저를 생성한다. 파장은 1.06㎛로 근적외선 영역의 빛을 방출한다. 근적외선 스펙트럼은 금속 표면에서 반사가 적고, 유기물질에서 흡수가 적기 때문에 레이저 솔더링에 적합하다23,24). 솔더는 1㎛ 파장을 잘 흡수하기 때문에 Nd:YAG 레이저는 높은 효율을 가지며, 빔 에너지는 주로 10~20W가 솔더링에 사용된다. 그러나, 에너지 전달량이 감소하여 에너지 강도가 불균일해질 수 있는 단점이 있다24,25). Fig. 1 (a)는 Nd:YAG 레이저 발생기의 개략도이다. 섬광관(flash tube)에서 나온 빛을 레이저 봉(laser rod)이 흡수하면, 레이저 봉의 전자가 충분한 에너지를 얻어 특정 파장의 빛을 방출하고, 양쪽 거울의 반사를 통해 일정 수준 이상으로 증폭되면 부분 반사 거울을 통해 레이저가 방출된다24).
2.2 다이오드 레이저
다이오드 레이저에 사용되는 재료는 갈륨 비소 (GaAs), 갈륨 질화물 (GaN), 인듐 인화물 (InP)과 같은 복합 반도체이다. 이 복합 반도체에 다른 원소를 추가하거나 교체하여 전기적 특성을 조절할 수 있다. GaAs의 일부 갈륨을 알루미늄으로 대체한 GaAlAs는 밴드갭 에너지가 증가하여 다른 파장의 빛을 방출한다26). 밴드갭 에너지 (Eg)와 파장 (λ)간의 관계는 식(1)으로 정의되며, h는 플랑크 상수이고, c는 진공에서 빛의 속도이다.
다이오드 레이저의 작동 원리는 p-n 접합에 특정 전압을 인가할 때, 전자가 에너지를 흡수하여 여기(勵起)된 후 낮은 에너지 레벨로 떨어지며 정공과 재결합할 때 빛을 방출하는 것이다27). 다이오드 레이저는 주로 790nm에서 980nm 사이의 파장을 사용한다. 다이오드 레이저는 크기가 작고 가벼우며, 최대 전기 효율이 59%으로 비용 효율적이다. 특히 레이저 빔의 에너지 밀도 분포가 균일하고, 수명이 길어 유지보수가 필요 없다는 장점이 있다22,24). Fig. 1 (b)는 다이오드 레이저 시스템의 개략도이다.
3. 레이저 및 LAB 솔더링
대량 리플로우 (MR) 방법은 생산성이 좋지만, 레이저 솔더링에 비해 긴 공정 시간이 요구된다. 공정 시간이 길면 그만큼 칩과 기판이 고온에 장시간 노출된다는 것이고, 이는 패키지 재료의 열팽창 계수 (CTE) 차이로 인한 응력을 발생시킨다28,29). 열적 기계적 응력은 휨 현상, 박리, 솔더 접합 불량 등 여러가지 신뢰성 문제를 야기한다30-32). 이에 반해, 레이저 솔더링은 수백ms~수s까지의 짧은 접합시간 및 국부적인 가열로 인해 열에 의한 손상을 감소시킬 수 있다1,33).
레이저 솔더링은 매질에 따라 레이저의 흡수율이 다른 특성을 이용하기 때문에 열 민감성 부품의 접합에 적합하다. 다양한 레이저들 중, Nd:YAG 레이저와 다이오드 레이저가 생성하는 근적외선 스펙트럼은 금속 표면에서 반사율이 낮고 유기 재료에서 흡수율이 낮아 레이저 솔더링에 적합하다24,34). 반면, CO2 레이저가 생성하는 10.6㎛의 파장은 금속에서 반사율이 높고, 유기 재료에서 흡수율이 매우 높아 솔더링에는 적합하지 않다.
Fig. 2은 레이저를 이용한 접합 공정의 개략도이다. Fig. 2 (a)는 기존의 (conventional) 레이저 솔더 볼 범핑으로 생성된 레이저를 적절히 포커싱 (moderately focusing)하고 질소 분위기에서 접합하는 방식으로 100㎛ 미만의 정밀한 접합이 가능하다35-38). Fig. 2 (b)는 LAB 공정으로 2차원 면적을 커버하는 레이저를 이용하여 많은 양을 한 번에 접합하는 방식이다19). 조사된 레이저 빔은 패키지에 흡수된 후 솔더링부를 가열하여 접합이 이루어지기 때문에, 솔더 이외의 부분이 열적 손상을 입지 않도록 주의해야한다39).
Fig. 2
Schematic of laser bonding system, (a) Laser solder bumping (conventional laser soldering), (b) Laser assisted bonding
Fig. 3는 다양한 레이저 입열 조건과 대기 분위기 에어 리플로우 하에서, Sn 합금솔더/Cu-pad 접합부의 125°C에서 시효 시간으로 Cu6Sn5 IMC 두께를 비교한 그래프이다. 이 그림에서, 시효시간 증가에 따라, IMC 두께가 증가됨을 알 수 있으며, 일반적인 에어 리플로우 조건보다 레이저 조건에서 IMC의 두께가 더 얇게 생성되었음을 확인할 수 있다. 또한, 레이저 솔더링에서는 레이저 파워와 조사 시간이 증가함에 따라 IMC의 두께도 증가하였다. 비교적 낮은 레이저 파워에서는 얇고 작은 IMC가 형성되었고, 높은 파워에서는 두껍고 큰 IMC가 형성되었으며, 조사 시간의 증가는 IMC를 성장시키는 것이 관찰되었다41,43). 전단 강도는 IMC의 크기가 얇을수록 높게 측정되었으며, 솔더링 직후에는 레이저 조건이 에어 리플로우 조건보다 전단 강도가 높고, 시효 시간이 증가함에 따라 강도는 유사한 값을 나타내었다40,42,43).
Fig. 4는 에어 리플로우 및 conventional 레이저 솔더링한 SAC305솔더/ENIG 조인트의 IMC 성장을 개략적으로 보인 것이다. Wu 등42) 에 따르면 SAC305/ ENIG 계면의 주요 반응 생성물이 (Cu,Ni)6Sn5 였으며, 150°C 고온시효 이후 얇은 Ni3P층이 생성되었다. 에어 리플로우한 샘플의 (Cu,Ni)6Sn5 IMC는 길고 얇은 막대기 모양을 하였으며, 시효후 nodular 형태의 IMC가 더 성장된 모습을 보이고 있다. Conventional 레이저 솔더링의 경우, 작은 granular와 loose한 (Cu, Ni)6Sn5 IMC 구조가 형성되었으며, 150°C 시효 후 종횡비가 에어 리플로에 비해 더 짧은 nodular 형태의 IMC가 성장된 모습을 관찰하였다. 따라서 레이저 솔더링 공정을 통해 IMC의 두께 및 형상을 조절하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다는 의미 있는 결과를 보고하였다.
Fig. 4
Schematic of IMC growth of SAC305 solder/ENIG joint according to air reflow and laser reflow soldering, (a) as air reflow soldering, (b) after 150°C aging of air reflow soldering, (c) as laser soldering, (d) after 150°C aging of laser soldering
Huan 등20) 은 난(難)솔더링성으로 알려진 Al 기판 위에 Cu 기반 부품을 다이오드 레이저 및 SAC305 와이어를 사용하여 솔더링하였다. Al 기판은 표면에 Al2O3 산화막이 존재하기 때문에 솔더가 잘 젖지 않는 문제와 Al 기판에 Sn을 직접적으로 도금하는 것이 어렵다는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위하여, Al 기판 표면의 Al2O3 산화막을 제거한 후, 산화막 생성 억제를 위해 Zn층을 코팅하고, 그 위에 중간층으로 Ni층을 증착한 후 마지막으로 Sn 층을 증착하였다. 레이저의 최대 전력은 60W이고, 파장 970nm이며, 솔더링 시간은 0.66s가 소요되었다. 다이오드 레이저 솔더링 후 생성된 금속간 화합물의 두께는 5㎛ 미만이며, 접합부의 최대 선형 하중은 95.2N/mm으로 측정되었다. 여기서 최대 선형 하중 (maximum linear load)이란 최대 파괴 하중을 접합부 길이로 나눈 값을 의미한다. 이 연구에서는 기존의 SAC305 솔더링법에서는 솔더링이 매우 어려운 Al 기판에 Cu 기반 부품을 레이저 솔더링하였다는 데에 의미가 크다.
한편, 저자 등44) 은 ENIG-pad에 400㎛ 크기의 Sn- 3.5Ag 솔더볼을 마운팅한 후 레이저 솔더 조인트를 형성하였다. 레이저는 초점 직경 50㎛ 크기의 Nd:YAG 레이저를 사용하였으며, 레이저 세기는 1W, 2W, 3W, 4W의 네 가지 출력을 사용하였고, 조사 시간은 0.1초에서 0.2초 간격으로 증가시켰다. 실험 결과 IMC 층의 두께는 레이저 출력이 증가함에 따라 크게 증가하였으며, 4W의 출력에서는 IMC가 바늘 형태로 성장한 것을 확인하였다. 미세구조 또한 레이저 출력이 증가함에 따라 거칠어졌다. 솔더-pad 인터페이스에서 IMC 성장에 조사 시간보다 레이저 출력의 영향이 큰 것으로 분석되었다. IMC의 과도한 성장이 야기하는 젖음성 감소, 접합강도 저하, 전기 저항 증가 등의 문제를 레이저 솔더링을 통해 완화할 수 있다는 의미 있는 결과를 제시하였다.
Jang 등45) 은 LAB 방식으로 실리콘 다이에 레이저를 조사하고, 간접 열로 솔더를 용융시키는 방법을 고안하였다. 실리콘 다이에 흡수된 레이저는 열에너지로 변환되어 Cu pillar 범프와 SAC305 솔더로 전달되고, 이후 솔더가 용융되어 접합을 완성하였다. 실리콘 다이의 크기는 6×6mm2이고, Cu pillar 범프와 SAC- 305 솔더의 높이는 각각 12㎛, 8㎛이며, Cu pillar 범프의 센터 피치는 80㎛이다. 레이저 조건은 파장 980nm, 면적 6×6mm2이며, 120W/cm2의 전력 밀도로 0.4초, 74W/cm2의 전력 밀도로 0.8초 조사되었다. LAB 공정 중 실리콘 다이의 표면 온도는 약 280°C까지 상승하여 솔더가 충분히 용융될 수 있었다. 실리콘 다이의 두께에 따라 최대 온도가 달라지며, 다이 두께를 370㎛에서 270㎛로 줄이면 다이 최대 온도가 271°C에서 247°C로 감소하여 솔더 미용융 문제를 야기할 수 있다고 보고하였다. 이 연구는 LAB법으로 간접 가열에 의해 솔더를 용융시켜 미소 Cu pillar 범프와 SAC305 솔더의 최적 솔더링 조건을 제시한 데에 의의가 있다.
Joo 등46) 은 MR (Mass Reflow) 공정과 LAB 공정으로 제작한 SAC305 솔더/Cu-pad 조인트를 비교 분석하였다. MR 공정은 270°C에서 5분간 수행되었고, LAB 공정은 980nm 파장, 12×12mm2 면적의 레이저를 사용하여 파워와 시간이 각각 60W, 1s 및 72W, 1s의 두 단계로 수행되었다. 솔더와 Cu 사이의 미세구조, pore, IMC 등을 평가하기 위해 150°C에서 1000시간까지 고온 시효가 수행되었다. 1000시간의 고온 시효 시험 동안 IMC의 두께는 MR 및 LAB 공정에서 각각 3.38에서 17.90㎛ 및 0.38에서 7.86㎛으로 증가했다. 공극률 측정 결과는 MR보다 LAB공정에서 약 7% 낮게 관찰되었다. LAB 공정의 장점인 짧은 공정 시간으로 인해 솔더 매트릭스의 결정립을 미세화하고, IMC의 두께를 줄여 기계적 특성을 향상시킬 수 있다고 보고하였다. 이 연구는 MR과 LAB 공정 특성을 공극률, 미세조직, IMC 측면에서 실험적으로 직접 비교 분석한데에 의미가 크다.
Choi 등47) 은 LAB 공정에 사용되는 언더필 방법을 두 가지로 제시하였다. 첫 번째로 fluxing underfill (FU) 공정은 패키지의 범프를 제외한 모든 부분을 언더필로 채워 접합부를 보호하는 방식이다. 두번째로 hybrid underfill (HU) 공정은 솔더 파우더가 포함된 언더필을 기판의 pad 부분에만 도포하여 MLCC, mini-LED 등과 같은 솔더 볼이나 범프가 없는 패키지를 제작하는 방법을 제안하였다. 그리고 LAB 공정을 사용하면 기존 리플로우에 비해 open fault가 사라져서 모듈의 휘어짐량이 감소한다고 보고하였다. 이 연구는 기존 솔더 페이스트에 비해 언더필을 솔더 페이스트에 직접 혼합한 것이 특징이며, 기존의 별도의 언더필 충전 공정을 없애고, 결함 및 휨 변형을 개선시킨데에 의의가 있다.
4. Mini-LED의 LAB 솔더링 적용 예
미세한 반도체 칩 및 mini-LED 등을 접합하기 위해 기존에 널리 사용되는 type-6 (분말 직경 5~15㎛) 솔더 페이스트는 솔더 분말이 너무 커서 작은 스탠실 구멍 (aperture)에 균일하고 적절한 량의 페이스트를 프린팅 하는 것이 어렵다. 저자 등은 이 문제의 개선 방안으로 type-8 (분말 직경 2~8㎛) SAC035 솔더 페이스트를 제조하고, 이를 사용하여 mini-LED를 솔더링하였다. SAC305 솔더 페이스트에 함유된 플럭스는 RMA (Rosin Mildly Activated) 타입이다. Mini- LED의 크기는 250×125㎛ 크기이고, 레이저로는 980nm 파장의 IR 레이저를 사용하였으며, 대기 분위기에서 솔더링하였다. 레이저 조사면적의 크기는 25× 25mm2, 레이저 파워 및 시간은 각각 90W, 15s이다. PCB (printed circuit board)로는 FR4-RPCB (rigid printed circuit board)를 사용하였으며, Cu-pad의 사이즈는 100×100㎛, 패드의 센터간 피치는 130㎛이다.
Fig. 5는 저자 등이 LAB 방식으로 접합한 mini- LED/SAC305/Cu-pad 조인트를 보인 것이다. Fig. 5 (a)는 LAB 솔더링된 mini-LED의 단면 SEM 이미지이다. 솔더는 Cu-pad에 접촉각 90˚ 이하로 양호한 젖음성으로 접합되었으며, 좌우측 Cu-pad에 대등한 솔더 페이스트량이 프린팅되어 접합되었음을 알 수 있다. 전반적으로 솔더링부에 심각한 결함이 없는 양호한 접합부를 보이고 있다. 반면, mini-LED 칩에 따라서는 Fig. 5 (b)에 보인 것처럼, 좌우측 Cu-pad 위에 프린트된 솔더 페이스트의 양의 차이로 리플로 후 솔더 조인트의 크기가 불균일한 문제도 관찰되었다. 또한, 레이저 조사 후 Cu-pad 주변 및 pad 사이의 빈 공간에 수 ㎛수준의 미세한 스패터 (spatter)가 발견되었는데, 이는 레이저 파워가 과다한 경우에 발생하기 쉽다. 다만, 미세한 솔더 분말들의 과도한 산화막으로 인해, 일부 산화된 솔더 분말이 솔더 접합부와 분리되며 스패터를 생성할 수도 있다. Fig 5. (e)는 EDS mapping 결과로 솔더와 mini-LED 주위에 분포된 작은 입자들이 Sn인 것을 알 수 있으며, 솔더에서 분리된 스패터임을 확인할 수 있다.
Fig. 5
SEM cross section images of mini-LED/SAC305/Cu joint after 125°C, 144hr thermal aging by authors, (a) full image of mini-LED/SAC305/Cu joint, (b) top view of mini-LED/SAC305/Cu joint, (c) enlarged right-hand mini- LED/SAC305/Cu joint, (d) enlarged pore image inside SAC305 solder, (e) EDS mapping result around mini-LED solder joint, top view
Fig. 5 (c), (d)에 보인 것처럼 솔더 벌크 내부에는 SAC305 솔더의 전형적인 β-Sn과 Ag3Sn IMC가 생성되었다. LED/SAC305 솔더 계면과 SAC305 솔더/PCB Cu-pad 계면에 Cu6Sn5 IMC가 생성된 것을 확인하였다. Cu-pad 계면의 Cu6Sn5 IMC가 LED계면의 IMC에 비해 상대적으로 더 두꺼우며, Cu-pad 측은 평균 약 3㎛ 내외의 두께로 형성되었다. Fig. 5 (d)에는 직경 약 20㎛ 크기의 기공(pore)이 관찰되었다. 보통 기공은 플럭스와 용제의 비등 시 발생하거나 페이스트와 pad 사이에 갇힌 공기층에 의해 생성된다. 용융된 솔더가 플럭스에 의해 산화막이 제거된 pad에 빠르게 젖으며 플럭스 잔사와 공기는 떠오르지만, 그 중 일부는 솔더 내부에 잔류하게 되어 기공을 형성한다48,49). 또한 솔더링 중 열분해로 인해 플럭스 기체가 발생하는데, 이 중 일부가 PCB와 부품 사이 솔더에 갇혀 냉각 시 솔더 접합부에 기공을 형성할 수 있다49).
5. 결 론
레이저 마이크로 솔더링과 LAB의 발전은 특히 솔더 조인트 형성에서 전자제품의 제조 기술을 크게 변화시켰다. 이 기술들은 정밀한 제어, 낮은 열 영향 및 신뢰성을 향상시킴으로써 고밀도 전자 어셈블리에 필수적인 기술로 발전하고 있다. 레이저 마이크로 솔더링은 집중된 레이저 빔을 사용해 솔더를 정확히 가열하고 용융시켜서 작은 부품과 복잡한 설계 제품에 적절하다. 이 방법은 빠른 가열과 냉각 사이클을 통해 일관되고 반복 가능한 조인트를 보장하며, 열 스트레스를 줄이고 기계적 특성을 향상시킨다. LAB는 레이저 가열과 압력을 결합해 강력한 조인트를 형성한다. 특히 다양한 재료와 복잡한 형상을 결합하는 데 유용하다. 이 접근 방식은 열 노출을 최소화하고 유용한 금속간 화합물의 형성을 촉진한다.
본고에서는 Nd:YAG와 다이오드 레이저의 원리와, 최근의 솔더 조인트의 미세 구조, 레이저 및 LAB 솔더링의 최근 동향에 대해 서술하였다. 아울러, type-8 솔더를 사용한 mini-LED에 대한 저자들의 LAB 적용에 대해 소개하였으며, 실험 결과 적절한 솔더 조인트와 Cu6Sn5 IMC 두께를 보여주었다. 다만, 미세한 솔더 스패터와 Cu-pad 상의 불균일한 솔더 양과 같은 문제는 LAB 공정 변수나 솔더 소재의 개선이 필요하다. 금후 레이저 기술의 지속적인 발전은 더 복잡한 전자 장치의 신뢰성과 성능을 보장하기 위해 솔더링 및 본딩 기술을 더욱 향상시킬 것으로 기대된다.
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