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Journal of Welding and Joining, Vol.33 No.3(2015) pp47-53http://dx.doi.org/10.5781/JWJ.2015.33.3.47

47

고온고습 원인가 시험에서 Cl에 의한 이온 마이그 이션 불량

허 석 환*,†․신 안 섭

*

*삼성 기 ACI사업부

Chlorine effect on ion migration for PCBs under temperature-humidity bias test

Seok-Hwan Huh*,† and An-Seob Shin*

ACI division, Samsung Electro-Mechanics, Busan 618-819, Korea

†Corresponding author : shhuh12@gmail.com(Received April 14, 2015 ; Accepted June 18, 2015)

A bstract By the trends of electronic package to be more integrative, the fine Cu trace pitch of organic PCB is required to be a robust design. In this study, the short circuit failure mechanism of PCB with a Cl ele-ment under the Temperature humidity bias test (85℃/85%RH/3.5V) was examined by micro-structural study.A focused ion beam (FIB) and an electron probe micro analysis (EPMA) were used to polish the cross sections to reveal details of the microstructure of the failure mode. It is found that CuClx were formed and grown on Cu trace during the 170℃/3hrs and that CuClx was decomposed into Cu dendrite and Cl2

gas during the 85℃/85%RH/3.5V. It is suggested that Cu dendrites formed on Cu trace lead to a short circuit failure between a pair of Cu traces.

Key Words : Organic PCB, Short-circuit failure mechanism, Copper, Chlorine, Thermal humidity storage

ISSN 1225-6153Online ISSN 2287-8955

1. 서 론

모바일 제품의 보다 많은 기능 탑재와 디자인 경쟁이

치열해 지면서 자부품의 고집 화 요구가 더욱 거세

지고 있다. 이와 더불어 인쇄회로기 의 미세 배선에

한 신뢰도는 요한 쟁 이 되고 있다. Fig. 1은 반

도체용 인쇄회로 기 의 구조 사진으로 6층 빌드업

구조를 가지며, 구리배선을 통한 기(신호) 도통과 에

폭시계 연제를 사용한 기 연과 빌드업 간의 비아

홀(via hole)을 통한 기 도통으로 실 하고 있다.

Fig. 2는 인쇄회로기 의 주요 기능 불량으로 회로

오 불량(Trace open failure), 회로 트 불량

(Trace short failure), 그리고 층간 박리 불량

(Delamination failure)이 있으며, 회로 오 불량은

인쇄회로기 의 배선에서의 단락(단선) 상으로, 생산

공정 의 문제로 구리배선이 형성되지 않았거나, 이후

스트 스에 의해 구리배선 끊어짐이 발생한 상이다.

회로 쇼트 불량은 인쇄회로기 의 배선과 주 의 배선

간의 기 도통이 이루어 지는 상으로, 생산공정 혹

은 이후 스트 스에 의해 구리배선 사이에 도성 물질

의 형성에 의해 연층이 괴되어 설 류가 발생하

는 상이다. 이들 회로 오 과 트 불량의 검출은

기검사를 통하여 스트 스 후의 구리배선의 항 검

사나 구리배선 간의 연 검사를 통해 이루어 진다. 인

쇄회로기 에서 기 검사 트 불량의 정의는 신호를

달하는 회로간에 신호간섭을 유발하는 연 항 1×

106 Ω 이하인 경우를 말하며, 산업계에서는 연 항

1×106 Ω 이하를 기 검사 스펙(specification)으로

사용하고 있다1). 단 면 당 I/O의 증가는 고신뢰도의

기 검사 능력을 요구하게 되고, 기 검사의 방법론

(algorithm)에서 툴(tool)까지 많은 연구가 진행되고

있다2-5). 인쇄회로기 에서의 층간 박리 불량은 흡습에

의한 고장으로 IPC-M-109 규격에 명시된 흡습 민감

도 테스트(Moisture sensitive level) 평가를 진행한

후, 육안 검사나 음 비 괴 검사(Scanning acous-

연구논문

허 석 환․신 안 섭

262 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 3, 2015

48

(a)

(b)

(c)

Fig. 1 Stereoscopic image (a) and schematic diagrams (b, c) of organic PCB in which the Cu traces are placed in dielectric material: Cross section diagram (b) represents the structure of PCB. PCB in (b) consists of via holes, Cu traces, dielectric materials, solder resist, Cu pads, surface finish, and solder bump. (c) is magnified in Cu traces of (b)

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 2 Short-circuit failure (a), open-circuit failure (b) and delamination failure (c) for organic printed circuit board: Scanning acoustic image (d) of delamination failure in (c) is shown

tic tomography)로 수 μm의 박리 불량을 검출할 수

있다6).

이상에서 언 한 인쇄회로기 의 주요 불량들은 열

(온도, 습도 등), 기계 (진동, 응력 등), 기 ( 압,

류) 스트 스에 의한 경시변화를 동반하여 시장 불량

(사용 불량)으로 나타날 수 있어서 가장 주의가 필요한

불량이다. 이러한 스트 스에 의한 고장메커니즘은 약

20종류 정도로 보고 되고 있으며, 이들 고장은 주로 물

리, 화학 상에 의한 고장으로 고장메커니즘 분석을

통하여 신뢰성 평가법 수립 시행으로 시장불량을 방

지할 수 있다7,8)

.

기존 연구자들의 보고에 따르면, 인쇄회로기 의 이

온 마이그 이션 불량메커니즘은 Conductive anodic

filament, Metallic ion migration, 갈바닉 반응에

의한 부식 등이 있으며9-12), 다양한 연재료와 특정

환경(제작 사용환경)에서의 향에 한 연구는 부

족한 실정이다. 특히 시장에서 발생한 이온 마이그 이

션 고장 상에 한 고찰과 동일 시험 환경에서의 평

가는 더욱 미흡하다.

본 연구에서는 시장에서 발생한 경시성 회로 트 불

량 분석을 통하여 발생 가능한 고장메커니즘을 수립하

고 재 시험을 하여 불량 발생 환경을 조성한 후,

신뢰성 스트 스 환경에서 동일 고장 상이 발생하는

지를 검증하 다.

2. 실험 방법

본 연구에 사용된 시편은 미세 회로 피치 30 μm 갖

는 6층 반도체용 인쇄회로기 으로, 시장에서 발생한

회로 트 불량을 다음과 같은 고장 분석 로세스로

분석하여 고장메커니즘을 추정하 다.

1) 기 검사 결과를 바탕으로 한 회로 트 불량 발

생 넷(net) 검출

2) 수평 연마에 의한 불량 부 학 미경 찰

3) 집속이온빔 가공 찰 장치(Focused ion beam)

를 통한 단면 분석

4) 주사 자 미경(Scanning electron micro-

scope) 자탐침 미량분석기(Electron probe micro-

analysis)를 이용한 불량 분석

이 게 추정된 고장메커니즘 가설의 검증을 하여,

동일 설계 재료를 갖는 반도체용 인쇄회로기 에 재

평가를 하여 열 , 기 스트 스를 인가하여

회로 쇼트 불량 발생을 고찰하 다.

고장메커니즘 검증을 하여 인쇄회로기 의 구리배

선에 3.5 vol% 염산(HCl) 용액에 5 침 시키고 에

어건(air gun)으로 건조한 후, 인쇄회로기 을 제작하

다. 신뢰성 평가를 하여 5 의 인 , 평행한 구리

배선을 선정하여 +극과 –극을 구분하 다. 인쇄회로

기 의 표면처리로는 무 해 니 과 무 해 도 으로

표면 부식을 방지함과 동시에 솔더링성을 부과하 다.

비된 시편의 고온고습 원인가 시험(Temperature

humidity bias test)을 하여 다음 조건으로 처리

고온고습 원인가 시험에서 Cl에 의한 이온 마이그 이션 불량

한용 ․ 합학회지 제33권 제3호, 2015년 6월 263

49

(a) (b)

(c) (d) (e)

(f) (g) (h)

Fig. 3 Top view optical microscope image (a) and schematic diagram to illustrate FIB etching way for short-circuit failure : FIB images (f), (g), and (h) are magnified in (c), (d), and (e), respectively

벨 3를(precondition level 3) 진행하 다. 열사이

클 시험(thermal cycling test, TC/B) -55℃~125℃

에서 5 cycles, 고온고습시험(Temperature humid-

ity test, TH) 60℃/60%RH에서 48시간 유지 후,

260℃ 피크온도의 리 로우 시험에서 5회 진행하 다.

처리가 끝난 시편에 하여, 원인가를 한 연결

단자를 와이어로 솔더링하여 연결하 고, 고온고습

원인가 시험(Temperature humidity bias test)은

ESPEC社 HAST 챔버, Agilent社 직류 정 압계

워 서 라이(DC power supply, E3646A)로 DC

3.5V 원인가 시험하 으며, 구리배선 사이의 연

항은 Advantest社 고 항 측정기(Ultra high re-

sistance meter, R8340A)를 사용하여 25시간 간격

으로 측정하여, 회로 트 불량 정은 연 항 1×

106 Ω 이하로 하여 불량 발생한 시편에 하여 불량

분석을 진행하 다.

불량 분석을 하여 가공 미세 조직 찰은 집속

이온빔 가공 찰장치(FIB, Quanta200, Netherlands)

로 단면가공 후, 주사 자 미경(FE-SEM, Nova 200,

FEI, Netherlands)와 에 지분산 X선분 기(Supra

40VP, Germany), 자탐침 미량분석기(EPMA, 00000)

를 이용하여 분석하 다.

3. 실험 결과 고찰

회로 트 불량 시편의 기 검사를 통하여 설

류가 발생하는 배선(net)을 확인하고 평면 연마와 학

미경 찰을 통하여 트 불량 치를 Fig. 3(a)의

삼각형과 같이 확인하 다. 회로 트 불량의 3차원 형

상을 확인하기 하여 Fig. 3(b)와 같이 FIB 에칭을

5단계로 나 어 진행하 고, 에칭 단계별 FIB 사진을

Fig. 3(c-h)와 Fig. 4(a-d)에 나타내었다. Fig. 3(c,f)

를 보면, 구리배선(Cu trace1)과 구리배선(Cu trace2)

사이에는 이산화규소(42 wt% SiO2)를 함유한 에폭시

계 연층(dielectric material)으로 채워져 있으며 구

리배선(Cu trace2)의 하부에 2~3 μm CuClx 성분의

이물질이 찰되었다. 구리배선의 3 μm 에칭 두께로

FIB 에칭한 사진을 Fig. 3(d,g)에 나타내었으며, 구리

배선 하부에 4 μm 정도로 CuClx이 찰되었으며, 추가

FIB 에칭 사진 (Fig. 3(e,f))에서는 CuClx와 CuClx와

연결된 보이드(void)도 찰되었다. Fig. 4(a,c)는 추

가 FIB 에칭을 진행한 사진으로 5 μm 이상의 CuClx

와 구리(bulk Cu)가 찰되었다. 추가 FIB 에칭한 사

진(Fig. 4(b,d))에서는 CuClx와 구리(Cu)가 공존하

는 것을 찰하 으며, 형상은 구리배선(Cu trace2)

허 석 환․신 안 섭

264 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 3, 2015

50

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Fig. 4 Continuous FIB images and EDX analysis reports for short-circuit failure of Fig. 3

(a)

(b)

4000

2000

0

2000

1000

0

3000

2000

1000

0

20000

10000

0

0 2 4 6 8 10 12 14

0 2 4 6 8 10 12 14

0 2 4 6 8 10 12 14

0 2 4 6 8 10 12 14

Int [Count]Ch1LIFHCu

umInt [Count]Ch2LDE1O

umInt [Count]Ch4PETHCl

umInt [Count]Ch3LDE2HC

Fig. 5 EPMA analysis for short-circuit failure: 1 area in (a) is analyzed using Cu, O, Cl, and C element line profile

하부에서부터 인 구리배선(Cu trace1)까지 맞닿아

있으며, Fig. 4(d)의 1부분과 2부분의 EDX 성분분석

결과는 각각 CuClx와 Cu로 분석되었다(Fig. 4(e,f)).

Fig. 5는 구리배선 하부의 이물질에 한 EPMA의

라인 로 일 분석 결과를 나타내었다. Fig. 5(b)의

EPMA 결과에서, 이물질 역인 1구간은 Cu와 Cl의

성분이 증가한 구간으로 O와 C는 상 으로 낮게 나

타났다. 이 결과를 토 로 구리배선 하부의 이물질은

CuClx 성분이고, 구리배선과 되어 있음을 확인할

수 있었다.

Fig. 3-5의 FIB와 EPMA 분석 결과를 토 로 회로

트 불량 분석한 결과로 다음과 같은 가설을 수립하 다.

Step 1. 구리배선과 Cl 성분의 결합에 의해 CuClx가

생성되고, 이 게 생성된 CuClx는 흡습에 의

해 Cu2+

와 Cl-로 분해된다.

Step 2. 사용 환경에 놓인 인쇄회로기 에서 흡습에

의해 분해된 Cu2+와 Cl-는 구리배선의 류

인가를 통하여 Cu2+

는 구리(Cu)로 환원된

다. 환원된 수지상 구리(Cu)는 구리배선(Cu

trace1)과 구리배선(Cu trace2)간의 회로

트 불량을 유발하게 된다.

이상의 회로 트 불량 가설을 확인하기 하여 시편

을 제작하고 동일한 형태의 불량이 발생하는지를 검증

하 다.

먼 Step 1에서 구리배선과 Cl 성분의 결합할 수

있는 환경을 만들기 하여 본 연구에서는 인쇄회로기

의 제작공정에 많이 사용되는 3.5% 염산(HCl)을 이

용하여 CuClx의 생성 여부를 확인하 다.

구리와 염산의 반응에 의해 CuClx 생성물의 생성과

형상을 확인하기 하여 Fig. 6에서와 같이 구리배선을

3.5%염산(HCl)에 5 침 한 후, 에어건(air-gun)으

로 건조하고, 170℃ 챔버에서 3시간 유지한 구리배선

표면의 SEM 사진, FIB 구리배선 단면 사진과 EDX

성분 분석 하 다. Fig. 6(a,b)의 1과 2 역의 FIB

단면 찰 사진을 Fig. 6(c,d)에 나타냈었으며, 구리배

선 주 로 각진 CuClx 상이 생성된 것을 EDX 분석

결과로 확인할 수 있었다. 이는 구리와 염산의 반응에

의하여 CuClx가 형성되고, 170℃, 3시간 열처리를 통

하여 CuClx가 각진 형상으로 성장함을 알 수 있다. 이

러한 CuClx 생성과정을 토 로 회로 트 불량을 확인

하기 하여 인쇄회로기 에 구리배선을 형성하고 3.5%

염산(HCl)에 5 침 하고 에어건으로 건조하 다. 이

후 연층의 도포 구리배선 형성의 공정을 거쳐 인

쇄회로기 을 제작하여 학 미경 찰을 통한 회로

트 불량 검사를 진행하 다. 회로 트 불량 시편의

학 미경 사진과 FIB 단면 사진을 Fig. 7에 나타내

고온고습 원인가 시험에서 Cl에 의한 이온 마이그 이션 불량

한용 ․ 합학회지 제33권 제3호, 2015년 6월 265

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(a) (b)

(c) (d)

(e)

Fig. 6 SEM images (a,b), FIB images (c,d) and EDX analysis (e) on Cu trace dipped in 3.5%HCl for 5 s and annealed at 170℃ for 3 hrs

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Fig. 7 Top view optical microscope image (a), schematic diagram (b) to illustrate FIB etching way, and FIB images (d,e,f) for short-circuit failure

었다. Fig. 7(a)는 평면 연마 후의 학 미경 찰

사진으로 구리배선과 구리배선 사이에 회로 트 불량

(삼각표시)을 찰할 수 있었다. 이를 FIB 에칭 단면

찰을 하여 Fig. 7(b)에 표 된 FIB 에칭 방향으

로 에칭하여 Fig. 7(d,e,f)에 나타내었다. Fig. 7(f)의

1 역의 EDX 분석 결과 (c)를 통하여 구리배선 하단

부에 CuClx가 형성된 것을 확인할 수 있다. 이는 구리

배선을 3.5%염산에 침 시킨 후에 인쇄회로기 의 제

작 과정에서 열 데미지(thermal damage)에 의해

CuClx가 성장할 수 있음을 확인하 다. 하지만 본 시

편에서는 CuClx만 찰되었으며 구리(Cu)는 찰되지

않았다. 이를 통해서 인쇄회로기 제작 과정에서 열데

미지에 의해 CuClx만 생성되고, 구리(Cu)는 생성되지

않는 것으로 사료된다.

이 게 제작된 인쇄회로기 을 고온고습 원인가

(Temperature humidity bias test) 시험을 85℃

/85%RH조건으로 5 의 인 구리배선에 3.5V 압

을 인가하여 진행하 다. 25시간 마다 기압, 실온에

서 5 의 구리배선의 연 항을 측정하여 회로 트

불량을 단하 다. 회로 트 불량으로 분류된 시편의

FIB 사진과 EDX 성분 분석 결과를 Fig. 8에 나타내

었다. Fig. 8(a)에서 구리배선 하부에 구리가 아닌 이

물질이 찰되었으며 길쭉한 형상으로 인 한 구리배선

까지 뻗어 있는 것이 찰되었다. Fig. 8(a)의 1, 2와

3부분의 EDX 분석결과를 (b), (c)와 (d)에 나타내었

으며, 구리배선 하부의 가까운 1부분에서는 CuClx로,

2와 3부분에서는 구리(Cu)로 확인되었으며, 이는 Fig.

3에서 분석한 회로 트 불량 유형과 유사한 형상으로

확인되었다. 즉, 인쇄회로기 공정 에 생성된 CuClx

는 신뢰성 시험 환경인 고온/고습, 원인가 조건에서

Cu 이온화(Cu2+)와 Cu 환원이 일어나는 것으로 사료

된다. 이 게 생성된 구리(Cu)는 회로 트 불량의 원

인이 되는 것으로 사료된다. Shrivastava 등은 CuO

와 Cl-rich 수분의 존재는 CuO의 Cl-rich 수분으로의

용해를 가져오고, CuO와 Cl 사이의 반응은 다음과 같

이 보고하 다13)

.

허 석 환․신 안 섭

266 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 3, 2015

52

(a) (b)

(c)

(d)

Fig. 8 FIB image (a) and EDX analysis (b-d) for short circuit specimen after biased thermal humidity test (85℃/85%RH, 3.5V): (b), (c), and (d) are analyzed in 1, 2, and 3, respectively

HCI

Fig. 9 Schematic diagram of short circuit failure mechanism for organic PCB.

CuO + 2Cl- → CuCl2 + 0.5O2 (1)

CuCl2 + electrical potential → (2)

Cu (dendrite) + Cl2

반응에 의하면 수지상의 구리(Cu)의 생성은 Cu

oxide와 Cl- 이온의 결합에 의하여 CuCl2가 생성되고,

생성된 CuCl2와 기에 지에 의해 구리(Cu)가 생성

된다고 보고하 다13). 본 연구의 회로 트 불량도 (1)

과 (2)의 반응에 의한 수지상 구리(Cu)의 생성으로 발

생하는 것으로 사료된다.

Fig. 9는 인쇄회로기 에서 수지상 구리(Cu)의 발생

에 의해 회로 트 불량이 발생하는 고장 메커니즘을

도식화 하고 다음과 같이 설명하 다.

1) 에폭시계 연층 에 기도 으로 구리배선을

형성한 후,

2) 구리배선이 HCl 분 기에 노출되고

3) 구리배선 표면에서 CuClx가 생성되고

4) 170℃ 온도는 구리배선 표면의 CuClx를 성장시

키고

5) 고온/고습 원인가(85℃/85%RH, 3.5V)조건

은 CuClx를 수지상 Cu와 Cl2 가스로 생성한다.

6) 수지상의 구리(Cu dendrite)는 회로 트 불량

을 유발한다.

본 연구에서는 인쇄회로기 의 회로 트 불량 시편

의 고장분석을 통하여 고장메커니즘 가설을 수립하여

회로 트 불량 재 시험을 통하여 수립된 가설을 검

증하 다. 구리배선 주 에 CuClx의 생성과 기에

지에 의한 수지상의 구리(Cu)의 성장이 인쇄회로기

에서 회로 쇼트 불량을 유발한 것으로 사료된다.

4. 결 론

인쇄회로기 의 회로 트 불량 분석과 재 시험을

통하여 다음과 같은 고장메커니즘을 얻었다.

인쇄회로기 제작공정에서 에폭시계 연층 에

기도 으로 구리배선을 형성한 후, 구리배선이 HCl 분

기에 노출되고, 구리배선 표면에서 Cu와 HCl의 반

응에 의해 CuClx가 생성된다. 이 게 생성된 CuClx는

열 스트 스(재 시험에서 170℃)에 의해 구리배선 표

면에서 성장한다. 고온/고습 원인가(85℃/85%RH,

3.5V)조건은 CuClx를 수지상 구리(Cu dendrite)와

염소 가스(Cl2)를 생성하고, 이 게 생성된 수지상 구

리(Cu dendrite)는 회로 트 불량을 유발한다.

References

1. Y. H. Chun and L. J. Kwon, Accelerated life test and data analysis of the silver through hole printed wiring board, The Korean Society for Quality Management, 25 (1997), 15 (in Korean)

2. T. Yan and M. D. F. Wong, Recent research develop-ment in PCB layout, Proceedings of ICCAD 2010 (Proc. Of the International Conference on Computer-Aided Design), IEEE, (2010), 398

3. C. F. Coombs, Ed., Printed Circuits Handbook, 6th ed. McGraw-Hill, (2007).

4. M. M. Ozdal and M. D. F. Wong, Length-matching rout-ing for high speed printed circuit boards, Proceedings of ICCAD, 2003, IEEE, 394 (2003).

5. J.-W. Fang and Y.-W. Chang, Area-I/O flip-chip routing for chip package co-design, Proceedings of ICCAD 2008, IEEE, (2008), 518

6. IPC-M-109, Moisture-sensitive Component Standards

고온고습 원인가 시험에서 Cl에 의한 이온 마이그 이션 불량

한용 ․ 합학회지 제33권 제3호, 2015년 6월 267

53

and Guideline Manual (Bannockburn, IL: The institute for Interconnection and Packaging Electronic Circuits, 2008)

7. H. Tanaka and K. S. Kim, Introduction of reliability test technology for electronics package, J. Microelectro. & Packag. Soc., 19 (2012), 1 (in Korean)

8. D. P. Seraphin, R. Lasky and C. Y. Li, Principles of Electronic Packaging, McGraw-Hill, New York, (1989).

9. W. S Hong, S. B. Jung and K. B. Kim, Analysis method of metallic ion migration, Journal of KWS, 23 (2) (2005), 32 (in Korean)

10. B. Rudra and D. Jennings, Failure-mechanism models for conductive-filament formation, IEEE Transactions

on Reliability, 43(3) (1994), 35411. Jungwan Bang and Changwoo Lee, Flux residue effect

on the electrochemical migration of Sn-3.0Ag-0.5Cu, Journal of KWJS, 29 (5) (2011), 95 (in Korean)

12. S. H. Huh, A. S. Shin and S. J. Ham, Ion-migration Failure Mechanism under Biased HAST, J. Microelectro. & Packag. Soc., 22(1) (2015), 1 (in Korean)

13. A. Shrivastava, A. Amin, B. Sood, M. Azarian and M. Pecht, Thick film resistor failures, ISTFA 2008 (Proceedings from the 34th International Symposium for Test and Failure Analysis), November 2-6 (2008), Portland, Oregon USA.