전자 전자제품의 소형화, 고성능, 고집적화 요구로 인해 전자 패키징 기술의 중요성은 더욱 증가하고 있다. 전자 부품의 접합을 위해 흔히 사용되는 방법인 솔더링은 융점 450℃ 미만의 접합재를 사용하여 모재를 접합하는 방법이다. 전자산업에 일반적으로 사용되는 Sn-3Ag-0 .5Cu는 융점이 221℃로 비교적 공정온도가 높아 솔더와 모재 사이의 열팽창계수(Coefficient of thermal expansion, CTE) 차이로 인한 휨(warpage) 현상이나 플렉서블 기판의 열변형 문제 발생 가능성이 있다. 리플로우시 발생하는 열손상 문제를 최소화할 수 있으며, 에너지 절감의 이점이 있는 접합 온도가 낮은 저온 솔더에 대한 연구의 필요성이 증가하고 있다.
대표적인 저온 솔더인 Sn-58Bi 솔더는 융점이 139℃로 열팽창계수가 작고 항복강도가 높고 기계적 특성이 우수하지만, Bi의 취성으로 접합 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다. 솔더의 기계적 특성과 신뢰성 향상을 위해 솔더 기지 내에 금속, 세라믹 등의 물질을 첨가하는 방법은 널리 알려졌다. 나노입자는 분산 강화, 결정립 미세화 등의 강화기구를 솔더의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속 원자의 확산을 방해하여 취성의 금속간화합물(Inter metallic compound, IMC) 성장을 억제하여 접합부 신뢰성을 향상할 수 있다. 하지만 나노입자는 표면장력에 의해 뭉치기 쉬워져 신뢰성을 저하할 수 있는 문제가 있어 나노입자의 분산도는 나노복합 솔더 제조 시 반드시 고려되어야 한다. 제타 전위(zeta potential)는 용액 내 입자의 분산 정도를 평가하는데 적용되며, 전위차의 절댓값이 클수록 입자가 안정적으로 분산되었다고 할 수 있다. 본 연구에서는 pH 값이 3인 Bi 도금용액에서 제타 전위를 30mV 이상의 값으로 가지는 ZrO2 나노입자를 사용하여 안정적으로 분산될 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 고연성의 SAC305 솔더 볼과 나노입자가 첨가된 Bi층을 사용하여 나노복합 hybrid 범프를 공정온도 180℃에서 제조하였다. Bi 도금의 최적 조건을 확보를 위해 전류밀도와 시간에 따른 도금 두께 및 표면 형상을 SEM(Scanning Electron Microscopy)을 통해 측정하였다. ZrO2 나노입자는 0.05wt%, 0.1wt%, 0.2wt%, 0.3wt%로 첨가량을 조절하여 Bi 도금용액에 첨가하였다. ENIG(Electroless nickel immersion gold) 표면 처리된 구리 패드 위에 Bi를 도금한 후, SAC305와의 접합성 향상을 위해 Sn을 순차적으로 도금하였다. 180℃에서 1분간 리플로우하여 나노복합 hybrid 범프를 제조한 후, hybrid 범프의 금속학적 특성, 기계적 특성을 비교하고, 유연 인쇄회로기판(Flexible printed circuit board, FPCB)에 1608 캐퍼시터를 실장 하여 전기적 특성을 비교하여 나노입자 첨가가 전기적 특성에 영향을 주지 않음을 확인하였다.