현재 무전해 Ni/immersion gold(ENIG) 표면처리는 솔더링 특성이 우수하며 균일한 도금 표면을 형성시킬 수 있기 때문에 고성능, 고밀도 SMT(surface mount technology), BGA(ball grid array), FC BGA(flip chip ball grid array)등과 같은 전자 패키지의 표면처리 방법으로 널리 사용되고 있다. 하지만 무전해 Ni 층과 솔더 계면 사이에 발생하는 black pad 현상에 의한 솔더 접합부의 취성파괴가 문제로 지적되고 있다.
본 연구에서는 ENIG, ENEPIG(electroless nickel electroless palladium immersion gold) 표면처리에 대한 솔더 접합부 취성파괴 영향을 고속전단시험, 낙하충격시험을 통해 비교, 평가하였다. 고속전단시험은 전단속도 100 -2000mm/s로 다양한 strain rate에 따른 솔더 접합부 취성파괴 영향을 확인하였다. 추가실험으로 SEM/EDS(scanning electron microscope/energy dispersive spectrometer), TEM(transmission electron microscope)을 이용하여 솔더접합부의 취성파괴 메커니즘을 분석하였다. 그리고 낙하충격시험은 JEDEC D22 B111에 의거하여 평가를 하였다.
취성파괴 결과에서는 strain rate이 증가할수록 솔더 접합부의 취성파괴는 증가하였고, ENIG 표면처리가 ENEPIG 표면처리 보다 높은 취성파괴를 보였다. 낙하충격 시험에서도 HSS테스트와 유사한 경향을 나타내었는데, ENIG는 초기4 cycle에서 고장이 발생한 반면, ENEPIG에서는 43 cycle 높은 drop 신뢰성을 보였다. SEM 분석을 통해 ENIG, ENEPIG 표면처리에서 취성파괴, Drop test의 고장이 모두 P-rich Ni layer와 (Cu, Ni)6Sn5 IMC 사이의 NiSnP layer에서 발생함을 확인 하였다.
추가 실험으로, SEM/EDS, TEM을 이용하여 P-rich Ni layer와 NiSnP layer를 분석하였다. 취성파괴 영향은 P-rich Ni layer와 (Cu, Ni)6Sn5 IMC 사이의 NiSnP layer에 형성된 nano-void의 크기와 관련이 있다고 판단된다. ENIG 표면처리는 20 ~ 40 nm 직경의 nano-void가 NiSnP layer에 형성되었으며, ENEPIG에 비해 void 분포도가 높았다. ENEPIG 표면처리는 대략 5 nm 직경의 nano-void가 적었다. 따라서 ENEPIG보다 ENIG 표면처리가 높은 취성파괴를 보였던 것은 NiSnP layer에 형성된 nano-void 직경이 컸기 때문이라고 판단된다. 또한 ENEPIG 표면처리에서 솔더 접합부에 조밀하게 형성된 scallop 모양의 (Cu, Ni)6Sn5 IMC가 높은 외부응력과 crack의 전파를 방해하여 솔더 접합부의 취성파괴를 억제할 수 있다고 판단된다.