최근 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC와 같은 휴대용 전자기기의 성능은 급격한 발전으로 인하여 반도체 패키지의 저전력, 고성능, 경량화 등이 크게 요구되고 있다. 이러한 기능들을 충족시키기 위해 플립칩 패키지(flip chip package)는 우수한 전기/열 성능, 고속화, 고집적 등의 장점으로 반도체 패키지 분야에서 폭넓게 이용되고 있다. 플립칩 기술에서는 ...
최근 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC와 같은 휴대용 전자기기의 성능은 급격한 발전으로 인하여 반도체 패키지의 저전력, 고성능, 경량화 등이 크게 요구되고 있다. 이러한 기능들을 충족시키기 위해 플립칩 패키지(flip chip package)는 우수한 전기/열 성능, 고속화, 고집적 등의 장점으로 반도체 패키지 분야에서 폭넓게 이용되고 있다. 플립칩 기술에서는 솔더범프를 약 150 μm 피치 이하로 형성하게 될 경우, 솔더 리플로우(solder reflow) 과정에서 솔더가 단락(short)되는 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 솔더 범프에 비해서 더욱 집적도와 신뢰성을 높일 수 있는 구리 기둥 범프(copperpillar bump)에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 구리 기둥 범프는 20 μm 피치의 초미세피치 범프를 형성할 수 있어 고집적 패키지에서 인접한 솔더 간의 전기적 단락의 위험을 줄이며 I/O의 수를 증가시킬 수 있다. 또한 구리 기둥 범프는 강도가 높고, 무연 솔더 범프에 비해 저항이 낮고, 발열량이 적어 일렉트로마이그레이션(electromigration), 열 피로 파괴에 대한 높은 내구성을 가지고 있다. 한편 비용적 측면에서 구리 기둥 범프는 다른 방법들보다 비교적 저렴하다. 또한 우수한 전기적 성능과 집적도를 가질 수 있어 플립칩 기술 발전을 위한 핵심기술로 각광받고 있다. 본 연구에서는 구리 기둥 범프를 적용한 동일한 패키지 모델을 사용하여 매스 리플로우 방식, 열압착 방식, 레이저 리플로우 방식, 레이저 열압착 방식으로 구분해 수치 해석을 수행하였다. 유한 요소 해석(finite element analysis, FEA)으로 패키지의 열-기계적 응력에 따른 휨을 살펴보았다. 또한 패키지에 사용된 구리 기둥과 솔더 범프의 지름에 따른 구리 기둥 범프의 응력 변화를 살펴보았다. 수치 해석 결과, 매스 리플로우 방식의 열-기계적 응력과 휨이 가장 큰 것으로 나타났으며 레이저 열압착 방식이 열-기계적 응력과 휨이 가장 적은 것으로 나타났다. 또한 사용된 패키지 모델의 열 반복 시험 조건에서의 솔더 범프의 열-피로 수명을 예측하였다. 이를 통해 반도체 패키지의 접합 공정에서의 열-기계적 신뢰성 이슈를 이해하고, 열-피로 신뢰성 향상을 위한 설계 가이드라인을 제시하고자 하였다.
최근 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC와 같은 휴대용 전자기기의 성능은 급격한 발전으로 인하여 반도체 패키지의 저전력, 고성능, 경량화 등이 크게 요구되고 있다. 이러한 기능들을 충족시키기 위해 플립칩 패키지(flip chip package)는 우수한 전기/열 성능, 고속화, 고집적 등의 장점으로 반도체 패키지 분야에서 폭넓게 이용되고 있다. 플립칩 기술에서는 솔더 범프를 약 150 μm 피치 이하로 형성하게 될 경우, 솔더 리플로우(solder reflow) 과정에서 솔더가 단락(short)되는 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 솔더 범프에 비해서 더욱 집적도와 신뢰성을 높일 수 있는 구리 기둥 범프(copper pillar bump)에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 구리 기둥 범프는 20 μm 피치의 초미세피치 범프를 형성할 수 있어 고집적 패키지에서 인접한 솔더 간의 전기적 단락의 위험을 줄이며 I/O의 수를 증가시킬 수 있다. 또한 구리 기둥 범프는 강도가 높고, 무연 솔더 범프에 비해 저항이 낮고, 발열량이 적어 일렉트로마이그레이션(electromigration), 열 피로 파괴에 대한 높은 내구성을 가지고 있다. 한편 비용적 측면에서 구리 기둥 범프는 다른 방법들보다 비교적 저렴하다. 또한 우수한 전기적 성능과 집적도를 가질 수 있어 플립칩 기술 발전을 위한 핵심기술로 각광받고 있다. 본 연구에서는 구리 기둥 범프를 적용한 동일한 패키지 모델을 사용하여 매스 리플로우 방식, 열압착 방식, 레이저 리플로우 방식, 레이저 열압착 방식으로 구분해 수치 해석을 수행하였다. 유한 요소 해석(finite element analysis, FEA)으로 패키지의 열-기계적 응력에 따른 휨을 살펴보았다. 또한 패키지에 사용된 구리 기둥과 솔더 범프의 지름에 따른 구리 기둥 범프의 응력 변화를 살펴보았다. 수치 해석 결과, 매스 리플로우 방식의 열-기계적 응력과 휨이 가장 큰 것으로 나타났으며 레이저 열압착 방식이 열-기계적 응력과 휨이 가장 적은 것으로 나타났다. 또한 사용된 패키지 모델의 열 반복 시험 조건에서의 솔더 범프의 열-피로 수명을 예측하였다. 이를 통해 반도체 패키지의 접합 공정에서의 열-기계적 신뢰성 이슈를 이해하고, 열-피로 신뢰성 향상을 위한 설계 가이드라인을 제시하고자 하였다.
In recent years, the performance of portable electronic devices such as smart phones, notebooks, and tablet PCs has been rapidly developed, and the semiconductor packages are required to have low power, high performance, and light weight. In order to meet these functions, a flip chip package has bee...
In recent years, the performance of portable electronic devices such as smart phones, notebooks, and tablet PCs has been rapidly developed, and the semiconductor packages are required to have low power, high performance, and light weight. In order to meet these functions, a flip chip package has been widely used in the semiconductor package field with its advantages of excellent electrical / thermal performance, high speed, and high integration. In the flip chip technology, when the solder bump is formed at a pitch of about 150 μm or less, solder short-circuiting occurs in the solder reflow process. In order to solve this problem, active research is being conducted on a copper pillar bump capable of improving the integration and reliability compared to the solder bump. Copper pillar bumps can form ultra-fine pitch bumps of 20 μm pitch, reducing the risk of electrical shorts between adjacent solders in a highly integrated package and increasing the number of I/Os. In addition, the copper pillar bumps have high strength, low resistance compared to lead-free solder bumps, low heat generation, and high durability against electro-migration and thermal fatigue failure. On the other hand, copper pillar bumps are relatively inexpensive in terms of cost. In addition, it has excellent electrical performance and integration, and it is becoming a key technology for flip chip technology development. In this study, numerical analysis was carried out by using the same package model using copper bump, and classified by mass reflow method, thermal compression method, laser reflow method and laser thermal compression method. The finite element alaysis(FEA) was used to investigate the warpage due to the thermo-mechanical stress of the package. In addition, we investigated the stress variation of the copper pillar bump depending on the diameter of the copper pillar and solder bump used in the package. Numerical results show that the thermo-mechanical stress and warpage of the mass reflow method are the largest, and the thermo-mechanical stress and warpage of the laser thermal compression method are the least. We also predicted the thermal-fatigue life of the solder bump under thermal cyclic test conditions of the used package model. This study aims to understand the thermo-mechanical reliability issues in the bonding process of semiconductor packages and to suggest design guidelines for improving the thermal-fatigue reliability.
In recent years, the performance of portable electronic devices such as smart phones, notebooks, and tablet PCs has been rapidly developed, and the semiconductor packages are required to have low power, high performance, and light weight. In order to meet these functions, a flip chip package has been widely used in the semiconductor package field with its advantages of excellent electrical / thermal performance, high speed, and high integration. In the flip chip technology, when the solder bump is formed at a pitch of about 150 μm or less, solder short-circuiting occurs in the solder reflow process. In order to solve this problem, active research is being conducted on a copper pillar bump capable of improving the integration and reliability compared to the solder bump. Copper pillar bumps can form ultra-fine pitch bumps of 20 μm pitch, reducing the risk of electrical shorts between adjacent solders in a highly integrated package and increasing the number of I/Os. In addition, the copper pillar bumps have high strength, low resistance compared to lead-free solder bumps, low heat generation, and high durability against electro-migration and thermal fatigue failure. On the other hand, copper pillar bumps are relatively inexpensive in terms of cost. In addition, it has excellent electrical performance and integration, and it is becoming a key technology for flip chip technology development. In this study, numerical analysis was carried out by using the same package model using copper bump, and classified by mass reflow method, thermal compression method, laser reflow method and laser thermal compression method. The finite element alaysis(FEA) was used to investigate the warpage due to the thermo-mechanical stress of the package. In addition, we investigated the stress variation of the copper pillar bump depending on the diameter of the copper pillar and solder bump used in the package. Numerical results show that the thermo-mechanical stress and warpage of the mass reflow method are the largest, and the thermo-mechanical stress and warpage of the laser thermal compression method are the least. We also predicted the thermal-fatigue life of the solder bump under thermal cyclic test conditions of the used package model. This study aims to understand the thermo-mechanical reliability issues in the bonding process of semiconductor packages and to suggest design guidelines for improving the thermal-fatigue reliability.
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