각종 전자 제품들의 초소형화, 초경량화 및 고기능화에 따라 칩 실장기술 또한 고밀도 전자 부품에 대한 신기술을 요구하고 있다. 대표적으로 플립칩 실장 기술은 하드 디스크의 자기헤드, 카메라 모듈용 CIS (CMOS Image Sensor), LCD 구동 IC, 통신 장비등의 제조에 적용되고 있다. 따라서 고밀도 부품의 실장은 본딩부의 낮은 저항, 높은 기계적 신뢰성 및 높은 생산 수율등 우수한 실장 성능을 만족해야 된다. 칩 실장 기술은 ...
각종 전자 제품들의 초소형화, 초경량화 및 고기능화에 따라 칩 실장기술 또한 고밀도 전자 부품에 대한 신기술을 요구하고 있다. 대표적으로 플립칩 실장 기술은 하드 디스크의 자기헤드, 카메라 모듈용 CIS (CMOS Image Sensor), LCD 구동 IC, 통신 장비등의 제조에 적용되고 있다. 따라서 고밀도 부품의 실장은 본딩부의 낮은 저항, 높은 기계적 신뢰성 및 높은 생산 수율등 우수한 실장 성능을 만족해야 된다. 칩 실장 기술은 와이어 본딩, TAB(Tape Automated Bonding), 플립칩 본딩등 크게 3가지로 구분된다. 와이어 본딩 및 TAB에 사용되는 IC의 경우, IC의 크기가 크고 접합 핀의 기구적 밀도가 낮은 경우에 매우 효율적으로 적용된다. 반면, 플립칩 본딩에 적용되는 IC (플립칩)는 작은 크기에 고밀도 핀 배열이 가능하도록 설계되어 있다. 즉, 플립칩의 경우는 칩과 기판사이의 접합 면적에 ARRAY 구조로 핀이 배열되어 있어서 높은 핀 배열 밀도를 갖는다. 따라서 플립칩을 사용하면 높은 입출력 핀수, 높은 전기적 특성 (낮은 접합저항 등), 낮은 제조비용, 작은 크기 등의 많은 장점을 가지게 된다. 이러한 매력적인 장점 때문에 표면 실장에 있어서 플립칩 기술이 많이 적용되고 있다. 플립칩을 활용하는 제품 중, 모바일 폰에 사용되는 CIS 및 LCD 구동 IC는 다기능화, 초경량화, 초소형화된 첨단 구조를 활용하는 대표적인 예제이다. 모바일 폰 시장에서 카메라 폰의 수요는 급속한 기술발전과 함께 지속적인 교체 수요 및 신규 서비스로 폭발적으로 성장하고 있다. 카메라 폰의 기술 속도는 100만, 200만, 300만 화소로 빠르게 성장하고 있으며 판매 대수 또한 해마다 증가 하고 있다. 카메라 모듈용 CIS 또는 LCD 구동 IC의 실장 공정은 현재 ACF (An-isotropic Conductive Film)를 이용한 접합 공정이다. 그러나 제품 기능의 다양화에 따라 카메라 모듈 및 LCD 구동 IC는 미세 피치 및 높은 입출력수를 갖도록 점차 설계됨에 따라, 기존의 ACF 본딩 기술은 여러 가지 문제를 야기한다. 대표적으로 패드와 패드 사이에 도전볼에 의한 브리지 현상으로 전기적인 쇼트가 발생될 수 있다. 또한 ACF 공정 중 열압착 본딩 공정은 긴 공정 시간 (Tact time)을 필요로 하여 생산 수율을 낮추게 된다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 최근에 초음파를 이용한 플립칩 본딩 방법이 연구되고 있다. 본 연구에서는 소형/고밀도 핀 배열수를 갖는 플립칩 본딩을 위한 초음파 본딩 방법을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 제작된 시편과 실험용 본더를 이용하여 초음파 본딩기술의 가능성을 보이고, 향상된 본딩 공정 변수를 도출함으로써 기존의 본딩 기법 (예를 들면, 열압착 ACF 접합 기법 등)을 대치할 수 있음을 보인다. 이를 위해서 본 연구에서는 테스트 시편, 40kHz의 접합 주파수를 갖는 초음파 발진회로, 초음파 혼, 초음파 본더 등의 설계 및 제작 방법을 제안하고 본딩 시편에 대한 접합 공정 실험을 수행한다. 접합 공정 실험에서는 카메라 모듈용 이미지 센서 (CIS: CMOS Image Sensor)와 LCD 구동 IC를 이용하여 초음파 본딩을 실시한다. 초음파 본딩에 영향을 미치는 주요 인자는 본딩 압력, 본딩 시간, 본딩 예열온도, 초음파 에너지이다. CIS에 대한 본딩 실험의 경우, 온도 범위 150℃~190℃, 압력 범위 0.3MPa ~0.4MPa, 본딩 시간 1초~3초, 초음파 에너지율 100%의 조건에서 직접접합 (Direct bonding between golden bump and golden pad)을 실시한다. 접합후의 신뢰성 평가는 전단력 측정, 파단면의 파손상태 확인, 접합된 범프 개수 파악, 본딩 후 칩 파손 상태 등을 고려하여 이루어진다. 이러한 평가 결과를 바탕으로 CIS의 초음파 본딩 공정에 대한 최적의 공정 변수를 도출한다. 실험 결과 압력0.3MPa, 본딩 시간 3초, 예열온도 190℃의 조건에서 적합한 본딩이 이루어짐을 보인다. 반면, LCD 구동 IC의 경우는 온도 범위 220℃~250℃, 압력 0.54MPa, 본딩 시간 1.5초~5초의 조건에서 열압착에 의한 본딩 및 초음파 부가 열압착 본딩 (Thermo-sonic bonding)을 실시한다. LCD 구동 IC의 경우는 범프와 패드의 성분이 다른 이종 금속 간 접합으로, 접합 매개체인 ACF가 필수적이다. 따라서 초음파 부가의 효과를 검증하기 위하여, 기존의 ACF 접합공정인 열압착 기법과 새로이 제안된 열초음파 기법을 실험하여 그 성능을 비교 분석한다. 신뢰성 평가는 접합부의 전단력 측정, 접합된 도전볼의 생성 상태를 고려하여 이루어진다. 이를 바탕으로 최적의 공정 변수를 선정하기로 한다. 실험 결과, 압력 0.54MPa, 본딩 시간 3초, 예열 온도 230℃의 조건에서 적합한 본딩이 이루어짐을 보인다.
각종 전자 제품들의 초소형화, 초경량화 및 고기능화에 따라 칩 실장기술 또한 고밀도 전자 부품에 대한 신기술을 요구하고 있다. 대표적으로 플립칩 실장 기술은 하드 디스크의 자기헤드, 카메라 모듈용 CIS (CMOS Image Sensor), LCD 구동 IC, 통신 장비등의 제조에 적용되고 있다. 따라서 고밀도 부품의 실장은 본딩부의 낮은 저항, 높은 기계적 신뢰성 및 높은 생산 수율등 우수한 실장 성능을 만족해야 된다. 칩 실장 기술은 와이어 본딩, TAB(Tape Automated Bonding), 플립칩 본딩등 크게 3가지로 구분된다. 와이어 본딩 및 TAB에 사용되는 IC의 경우, IC의 크기가 크고 접합 핀의 기구적 밀도가 낮은 경우에 매우 효율적으로 적용된다. 반면, 플립칩 본딩에 적용되는 IC (플립칩)는 작은 크기에 고밀도 핀 배열이 가능하도록 설계되어 있다. 즉, 플립칩의 경우는 칩과 기판사이의 접합 면적에 ARRAY 구조로 핀이 배열되어 있어서 높은 핀 배열 밀도를 갖는다. 따라서 플립칩을 사용하면 높은 입출력 핀수, 높은 전기적 특성 (낮은 접합저항 등), 낮은 제조비용, 작은 크기 등의 많은 장점을 가지게 된다. 이러한 매력적인 장점 때문에 표면 실장에 있어서 플립칩 기술이 많이 적용되고 있다. 플립칩을 활용하는 제품 중, 모바일 폰에 사용되는 CIS 및 LCD 구동 IC는 다기능화, 초경량화, 초소형화된 첨단 구조를 활용하는 대표적인 예제이다. 모바일 폰 시장에서 카메라 폰의 수요는 급속한 기술발전과 함께 지속적인 교체 수요 및 신규 서비스로 폭발적으로 성장하고 있다. 카메라 폰의 기술 속도는 100만, 200만, 300만 화소로 빠르게 성장하고 있으며 판매 대수 또한 해마다 증가 하고 있다. 카메라 모듈용 CIS 또는 LCD 구동 IC의 실장 공정은 현재 ACF (An-isotropic Conductive Film)를 이용한 접합 공정이다. 그러나 제품 기능의 다양화에 따라 카메라 모듈 및 LCD 구동 IC는 미세 피치 및 높은 입출력수를 갖도록 점차 설계됨에 따라, 기존의 ACF 본딩 기술은 여러 가지 문제를 야기한다. 대표적으로 패드와 패드 사이에 도전볼에 의한 브리지 현상으로 전기적인 쇼트가 발생될 수 있다. 또한 ACF 공정 중 열압착 본딩 공정은 긴 공정 시간 (Tact time)을 필요로 하여 생산 수율을 낮추게 된다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 최근에 초음파를 이용한 플립칩 본딩 방법이 연구되고 있다. 본 연구에서는 소형/고밀도 핀 배열수를 갖는 플립칩 본딩을 위한 초음파 본딩 방법을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 제작된 시편과 실험용 본더를 이용하여 초음파 본딩기술의 가능성을 보이고, 향상된 본딩 공정 변수를 도출함으로써 기존의 본딩 기법 (예를 들면, 열압착 ACF 접합 기법 등)을 대치할 수 있음을 보인다. 이를 위해서 본 연구에서는 테스트 시편, 40kHz의 접합 주파수를 갖는 초음파 발진회로, 초음파 혼, 초음파 본더 등의 설계 및 제작 방법을 제안하고 본딩 시편에 대한 접합 공정 실험을 수행한다. 접합 공정 실험에서는 카메라 모듈용 이미지 센서 (CIS: CMOS Image Sensor)와 LCD 구동 IC를 이용하여 초음파 본딩을 실시한다. 초음파 본딩에 영향을 미치는 주요 인자는 본딩 압력, 본딩 시간, 본딩 예열온도, 초음파 에너지이다. CIS에 대한 본딩 실험의 경우, 온도 범위 150℃~190℃, 압력 범위 0.3MPa ~0.4MPa, 본딩 시간 1초~3초, 초음파 에너지율 100%의 조건에서 직접접합 (Direct bonding between golden bump and golden pad)을 실시한다. 접합후의 신뢰성 평가는 전단력 측정, 파단면의 파손상태 확인, 접합된 범프 개수 파악, 본딩 후 칩 파손 상태 등을 고려하여 이루어진다. 이러한 평가 결과를 바탕으로 CIS의 초음파 본딩 공정에 대한 최적의 공정 변수를 도출한다. 실험 결과 압력0.3MPa, 본딩 시간 3초, 예열온도 190℃의 조건에서 적합한 본딩이 이루어짐을 보인다. 반면, LCD 구동 IC의 경우는 온도 범위 220℃~250℃, 압력 0.54MPa, 본딩 시간 1.5초~5초의 조건에서 열압착에 의한 본딩 및 초음파 부가 열압착 본딩 (Thermo-sonic bonding)을 실시한다. LCD 구동 IC의 경우는 범프와 패드의 성분이 다른 이종 금속 간 접합으로, 접합 매개체인 ACF가 필수적이다. 따라서 초음파 부가의 효과를 검증하기 위하여, 기존의 ACF 접합공정인 열압착 기법과 새로이 제안된 열초음파 기법을 실험하여 그 성능을 비교 분석한다. 신뢰성 평가는 접합부의 전단력 측정, 접합된 도전볼의 생성 상태를 고려하여 이루어진다. 이를 바탕으로 최적의 공정 변수를 선정하기로 한다. 실험 결과, 압력 0.54MPa, 본딩 시간 3초, 예열 온도 230℃의 조건에서 적합한 본딩이 이루어짐을 보인다.
According to the recent technology trends requiring miniaturized size, ultra-light weight and versatile features for electronic devices, we need advanced chip mounting techniques especially for electronic flip-chip components having high pin-counts or high pin-density. For example, the flip-chip mou...
According to the recent technology trends requiring miniaturized size, ultra-light weight and versatile features for electronic devices, we need advanced chip mounting techniques especially for electronic flip-chip components having high pin-counts or high pin-density. For example, the flip-chip mounting technologies have been adopted for manufacturing the magnetic head for hard-disk drives (HDDs), CMOS image sensors (CIS) for compact camera modules, LCD driver ICs and tele-communication devices. The flip-chip mounting techniques generically have to have the high performance parameters such as low resistance at the bonding surfaces, high reliability and excellent yield ratio in manufacturing process. In general, the surface mounting technologies can be classified with the wire bonding technique, the tape automated bonding (TAB) technique and the flip-chip bonding technique. The wire-bonding or TAB bonding techniques are effectively used for the ICs with more than medium size and relatively low pin-density. On the other hand, the flip-chip has small size and high pin-density. The high pin-density in flip-chips is possible due to the array structure of the contact pins over an entire (or in part) contact area. Therefore, thanks to the mechanical structure of flip-chips, there are many advantages such as the high pin-counts for small sized package, high electrical performance, low manufacturing cost, small package and etc. Such attractive merits have widened the application area of flip-chips for various electronic devices. Among the products utilizing the flip-chip techniques, CIS for compact camera modules and LCD driver ICs are one of most important applications leading the information technologies requiring versatile functions, ultra-light weight and ultra-slim design. In particular, the need for mobile phones with the camera function has grown rapidly for last 10 years owing to the new customer services based on advanced IT technologies. The markets for the mobile phones with camera are rapidly growing and demanding high resolution of camera raging from 1mega to 5mega pixels. Currently, the mounting process for CIS or LCD driver ICs is based on the ACF (an-isotropic conductive film) attachment and the thermo-compression. However, as the flip-chips have the small pin-pitch and high pin-counts, the conventional ACF techniques have shown the limitations in many aspects. For example, the electric shortage which is caused by the conductive balls between the bonding pads is one of troubles in ACF bonding techniques. Also, the long process time for ACF attachment and thermo-compression degrades the productivity in manufacturing. In order to solve these issues, the ultra-sonic bonding techniques have been studied for last several years. In this study, we aim at developing the ultrasonic bonding technique for flip-chips having small size and high pin-density. It will be shown that the conventional ACF methods (for example, thermo-compression) can be replaced with the ultrasonic bonding technique by (i) proving the feasibility of the ultrasonic binding for sample ICs on the test bonding jig and, (ii) deriving the optimized process parameters for ultrasonic bonding. To this end, we design and develop test samples (for imitating the actual ICs), ultrasonic generator, ultrasonic horn and bonding jig. Then, the experiments for ultrasonic bonding are conducted with analysis. The experiments will be carried on the flip-chips such as CIS for compact camera modules and LCD driver ICs. Through the experiments, we investigate the effects of bonding pressure, bonding time, pre-heating time before bonding and ultrasonic energy. In case of CIS bonding experiments, the direct bonding between golden bumps and golden pads will be performed under the conditions (i) temperature range of 150℃ ~ 190℃, (ii) bonding pressure range of 0.3MPa ~ 0.4 MPa, (iii) bonding time of 1sec ~ 3sec and (iv) ultrasonic energy ratio of 100%. The bonding reliability is evaluated by taking into account the fracture force, the fractured surface status, the number of bumps bonded and the crack generation during the bonding process. Considering these factors, the optimal bonding process parameters will be extracted. As a result, it will be shown that the bonding between chip and substrate is accomplished at the best with 0.3MPa of compression pressure, 3 seconds of bonding time at 190℃ of pre-heating. In case of LCD driver ICs, the ACF bonding with thermo-ultrasonic technique will be used since the materials for bumps and pads are different so that the direct bonding is impossible. The bonding conditions are as follows: (i) temperature range of 220℃ ~ 250℃, (ii) bonding pressure of 0.54MPa, (iii) bonding time of 1.5sec ~ 5sec. The conventional ACF bonding methods rely on the thermo-compression with the ACF material. In the study, we propose the usage of ultrasonic energy on top of the conventional schemes. It will be shown that the proposed process can shorten the bonding time dramatically compared with the thermo-compression process. The bonding reliability will be assessed by considering facture force measurements and the conductive ball status bonded. Also, we demonstrate how to select the optimal process parameters by the experiments.
According to the recent technology trends requiring miniaturized size, ultra-light weight and versatile features for electronic devices, we need advanced chip mounting techniques especially for electronic flip-chip components having high pin-counts or high pin-density. For example, the flip-chip mounting technologies have been adopted for manufacturing the magnetic head for hard-disk drives (HDDs), CMOS image sensors (CIS) for compact camera modules, LCD driver ICs and tele-communication devices. The flip-chip mounting techniques generically have to have the high performance parameters such as low resistance at the bonding surfaces, high reliability and excellent yield ratio in manufacturing process. In general, the surface mounting technologies can be classified with the wire bonding technique, the tape automated bonding (TAB) technique and the flip-chip bonding technique. The wire-bonding or TAB bonding techniques are effectively used for the ICs with more than medium size and relatively low pin-density. On the other hand, the flip-chip has small size and high pin-density. The high pin-density in flip-chips is possible due to the array structure of the contact pins over an entire (or in part) contact area. Therefore, thanks to the mechanical structure of flip-chips, there are many advantages such as the high pin-counts for small sized package, high electrical performance, low manufacturing cost, small package and etc. Such attractive merits have widened the application area of flip-chips for various electronic devices. Among the products utilizing the flip-chip techniques, CIS for compact camera modules and LCD driver ICs are one of most important applications leading the information technologies requiring versatile functions, ultra-light weight and ultra-slim design. In particular, the need for mobile phones with the camera function has grown rapidly for last 10 years owing to the new customer services based on advanced IT technologies. The markets for the mobile phones with camera are rapidly growing and demanding high resolution of camera raging from 1mega to 5mega pixels. Currently, the mounting process for CIS or LCD driver ICs is based on the ACF (an-isotropic conductive film) attachment and the thermo-compression. However, as the flip-chips have the small pin-pitch and high pin-counts, the conventional ACF techniques have shown the limitations in many aspects. For example, the electric shortage which is caused by the conductive balls between the bonding pads is one of troubles in ACF bonding techniques. Also, the long process time for ACF attachment and thermo-compression degrades the productivity in manufacturing. In order to solve these issues, the ultra-sonic bonding techniques have been studied for last several years. In this study, we aim at developing the ultrasonic bonding technique for flip-chips having small size and high pin-density. It will be shown that the conventional ACF methods (for example, thermo-compression) can be replaced with the ultrasonic bonding technique by (i) proving the feasibility of the ultrasonic binding for sample ICs on the test bonding jig and, (ii) deriving the optimized process parameters for ultrasonic bonding. To this end, we design and develop test samples (for imitating the actual ICs), ultrasonic generator, ultrasonic horn and bonding jig. Then, the experiments for ultrasonic bonding are conducted with analysis. The experiments will be carried on the flip-chips such as CIS for compact camera modules and LCD driver ICs. Through the experiments, we investigate the effects of bonding pressure, bonding time, pre-heating time before bonding and ultrasonic energy. In case of CIS bonding experiments, the direct bonding between golden bumps and golden pads will be performed under the conditions (i) temperature range of 150℃ ~ 190℃, (ii) bonding pressure range of 0.3MPa ~ 0.4 MPa, (iii) bonding time of 1sec ~ 3sec and (iv) ultrasonic energy ratio of 100%. The bonding reliability is evaluated by taking into account the fracture force, the fractured surface status, the number of bumps bonded and the crack generation during the bonding process. Considering these factors, the optimal bonding process parameters will be extracted. As a result, it will be shown that the bonding between chip and substrate is accomplished at the best with 0.3MPa of compression pressure, 3 seconds of bonding time at 190℃ of pre-heating. In case of LCD driver ICs, the ACF bonding with thermo-ultrasonic technique will be used since the materials for bumps and pads are different so that the direct bonding is impossible. The bonding conditions are as follows: (i) temperature range of 220℃ ~ 250℃, (ii) bonding pressure of 0.54MPa, (iii) bonding time of 1.5sec ~ 5sec. The conventional ACF bonding methods rely on the thermo-compression with the ACF material. In the study, we propose the usage of ultrasonic energy on top of the conventional schemes. It will be shown that the proposed process can shorten the bonding time dramatically compared with the thermo-compression process. The bonding reliability will be assessed by considering facture force measurements and the conductive ball status bonded. Also, we demonstrate how to select the optimal process parameters by the experiments.
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