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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 무전해 도금 방법을 이용하여 Cu pad에 적용 가능한 솔더 플립 칩 접속용 UBM 형성 공정 기술을 제안하고, 각 종류의 UBM과 Sn-36Pb-2Ag 솔더 사이에서 리플로 공정 중 형성되는 금속간 화합물(Inter Metallic Compound, IMC) 성장 거동이 솔더 접합부의 기계적 안정성에 미치는 영향을 고찰해 보고자 한다.
가설 설정
- 일반적으로 석출물의 계면 모양을 결정짓는 것은 석출물과 모재 금속간의 계면 에너지 와 변형 에너지의 효과에 의해 좌우된다.19) 만약 석출물과 모재 금속 사이의 변형 에너지가 적으면 계면 에너지 효과가 중요하게 되어 석출물의 계면은 둥근 모양을 지닐 것이다. 그러나 비정질인 무전해 도금된 Ni과 monoclinic 결정 구조를 가진 NiaSn, 상처럼 결정학적 불일치가 클 경우에는 변형에너지 효과가 중요하게 되어 facet한 계면을 형성 하게 된다.
제안 방법
- Cu는 Sn과 빠르게 반응하여 금속간 화합물 (Intermetallic Compound, IMC) 를 형성하기 때문에 UBM 층이 얇을 경우 모두 소모되는 문제점이 있고, 두꺼운 구리 층을 사용하는 경우에는 두꺼운 Cu-Sn IMC의 형성으로 인해 솔더 볼의 기계적인 강도값이 낮아지기도 한다.8) 따라서 3.5㎛(E-Cu A) 와 5㎛(E-Cu B) 의 두께로 도금하여 솔더 접합 특성에 미치는 무전해 동(E-Cu) 두께의 영향을 고찰하였다. 한편 E-Cu는 도금속도(2㎛/hr) 가 E-Ni(10/m/hr) 에 비하여 1/5 정도로 느려 공정 시간 상이 이점을 활용하기 위하여 E-Cu를 얇게 도금하고 그 위에 E-Ni을 복합 도금하는 방법을 시도하였다.
- Cu 및 Ni 무전해 도금법을 이용하여 Cu pad에 대한 솔더 플립칩 접속용 UBM을 제안 하였다. E-Cu UBM의 경우에는 fee 구조를 가져 IMC와의 결정학적 불일치에 의한 변형이 적어 계면 에너지 효과가 중요하게 되어 조가비 모양의 CusSru 상이 형성되었고, E-Ni/E-Cu UBM의 경우에는 비정질로 도금되는 무전해 Ni의 특성으로 의해 IMC 와의 결정학적 불일치가 커져 주로 다각형 모양의 Nien, 상이 형성 되는 것을 확인하였다.
- 한편 E-Cu는 도금속도(2㎛/hr) 가 E-Ni(10/m/hr) 에 비하여 1/5 정도로 느려 공정 시간 상이 이점을 활용하기 위하여 E-Cu를 얇게 도금하고 그 위에 E-Ni을 복합 도금하는 방법을 시도하였다. E-Ni/E -Cu UBM에서도 E-Ni 충의 두께를 1.7/zm(E-Ni/E-Cu A) 와 3㎛(E-Ni/E-Cu B) 로 달리하여 E-Ni 두께의 영향도 고찰하였다. 이때, E-Ni/E-Cu A 는 E-Cu A와 같은 약 3.
- 솔더와 UBM 사이의 계면에서 반응 양상 및 조성은 시편의 단면을 Backscattered Scanning Electron Microscope (BS-SEM)로 관찰하고 Energy Dispersive Xray (EDX)로 분석하였다. IMC의 형태는 솔더 볼이 형성 된 시편을 80℃의 35g/l ortho-nitrophenol과 50g/l NaOH 혼합용액에서 30분 동안 담가 Sn만 선택적으로 에 칭한 후 평면 형상을 SEM으로 관찰하였다. 리플로 후 생성된 IMC의 종류는 에칭된 시편을 micro-area X-ray Diffractometer (Rigaku, Rint 2000) 을 이용하여 상분석을 수행하였는데 지름 100㎛의 Focus beam을 이용하여 20 ~ 120° 구간에 대해 fixed time 방식을 사용하였다.
- 이들 금속의 패턴은 리소그래피 (lithography) 와 습식 식각 (wet etching) 을 이용하여 형성하였다. Passivation 충은 Cyclotene 4026 이라는 상품명으로 개발된 감광성이 있는 유전성 폴리머인 BCB (Benzocyclobutene)7)를 이용해 스핀 코팅 방법을 사용하여 약 6㎛ 두께로 도포하여 사용하였다
- 또한 도금 중의 용액 중의 이온 농 도 변화를 억제 하기 위해 도금 욕의 크기를 시편의 그것에 비해 상당히 크게 제작하였다. 금도금은 앞서 도금된 금속층의 산화를 방지하고 납땜성 (solderability) 을 향상시켜 솔더 볼과의 결합력을 향상시키기 위하여 수행하였는데, KAu (CN) 2를 금속염으로 하는 용액을 이용하여 80 ±0.5℃ 온도에서 약 15분간 담금으로써 I000A두께로 도금하였다. 금 도금 충은 솔더 와의 반응에서 매우 짧은 시간에 솔 더 쪽으로 확산하므로 실제 솔더와 UBM사이의 반응 형태에는 크게 영향을 미치지 않는다
- 모든 도금은 온도 조절을 용이하게 하기 위하여 물 중탕 분위기에서 수행하였고 도금 중의 화학 반응에 의한 수소 기포 의 형성을 억제하기 위하여 도금 용액 내에 질소 (N2) 가스 bubbling을 수행하였다. 또한 도금 중의 용액 중의 이온 농 도 변화를 억제 하기 위해 도금 욕의 크기를 시편의 그것에 비해 상당히 크게 제작하였다. 금도금은 앞서 도금된 금속층의 산화를 방지하고 납땜성 (solderability) 을 향상시켜 솔더 볼과의 결합력을 향상시키기 위하여 수행하였는데, KAu (CN) 2를 금속염으로 하는 용액을 이용하여 80 ±0.
- 먼저 DC 마그네트론 스퍼터링 법을 이용하여 Si 웨이퍼에 기본 압력 2xl0ftorr 이하 및 작업 압력 1.5x10-2 torr에서 Si wafer에 Ti 2000A을 증착한 후, Cu l㎛를 증착하였다. 일반적으로 Cu는 Si와 접착력이 나쁘다고 알려져 있기 때문에 Ti 층은 이들 사이의 접착력을 증가시키기 위한 목적으로 사용하였다.
- 6정도로 유지하였다. 모든 도금은 온도 조절을 용이하게 하기 위하여 물 중탕 분위기에서 수행하였고 도금 중의 화학 반응에 의한 수소 기포 의 형성을 억제하기 위하여 도금 용액 내에 질소 (N2) 가스 bubbling을 수행하였다. 또한 도금 중의 용액 중의 이온 농 도 변화를 억제 하기 위해 도금 욕의 크기를 시편의 그것에 비해 상당히 크게 제작하였다.
- 무전해 도금 층은 도금액 속에 담금 (immersion) 만으로도 선택적인 증착이 가능하기 때문에 추가적인 리소그래피 공정 없이 UBM 으로 이용한 무전해 구리 (E-Cu), 무전해 니켈 (E-Ni) 및 immersion 금 (Au) 층을 차례로 증착하였다. E-Cu 도금은 상용 용액을 이용하여 46±0.
- 그림 1에 본 연구에서 사용된 솔더 범프 제조 공정의 개략적인 모식도를 나타내었다. 본 연구에서는 실제의 상용 칩을 사용하지는 않았지만, 상용 칩과 가까운 형태의 칩을 제조하여 UBM 및 솔더 범프 형성을 수행하였다.
- 솔더와 UBM 사이의 계면에서 반응 양상 및 조성은 시편의 단면을 Backscattered Scanning Electron Microscope (BS-SEM)로 관찰하고 Energy Dispersive Xray (EDX)로 분석하였다. IMC의 형태는 솔더 볼이 형성 된 시편을 80℃의 35g/l ortho-nitrophenol과 50g/l NaOH 혼합용액에서 30분 동안 담가 Sn만 선택적으로 에 칭한 후 평면 형상을 SEM으로 관찰하였다.
- 앞에서 설명한 방법으로 형성된 솔더 범프를 각 UBM system에 대해 볼 전단시험 (ball shear test) 을 수행하였다 이 방법은 tip을 이용하여 각각의 볼을 옆에서 밀어 tip에 걸리는 최대의 힘을 측정하는 시험으로서 테스트 높이는 Passivation 층 위 5㎛, 테스트 속도 500㎛/s의 조건 하에서 각각30개의 볼에 대한 측정값의 평균 및 오차를 구하였다
- IMC는 일반적으로 취성이 강하기 때문에 너무 많은 양이 형성될 경우 솔더 접합 부위가 매우 취약하게 되지만 적당한 양이 존재할 경우 접속 강도를 증가 시킨다. 표 1에 제시한 4가지 UBM 구조에 대해 앞 절에서 관찰된 계면의 IMC 성장현상과 비교하여 UBM 종류 및 두께 변화에 따른 그 기계적인 접속 강도 값의 변화를 살펴보기 위하여 ball shear test를 수행하였다.
- 5℃/sec로 하였다. 플립칩을 사용한 (Flipchip in Package) 패키지 제작시 솔더 볼은 칩 위의 ball mounting 에서 한 번, 보드 양쪽면의 chip mounting에서 두 번, repair 시 한 번 등 적어도 네 번의 솔더 리플로 공정을 거치므로 본 연구에서 사용된 시편에 대해 최대 4회 리플로를 수행하였다.
- 5㎛(E-Cu A) 와 5㎛(E-Cu B) 의 두께로 도금하여 솔더 접합 특성에 미치는 무전해 동(E-Cu) 두께의 영향을 고찰하였다. 한편 E-Cu는 도금속도(2㎛/hr) 가 E-Ni(10/m/hr) 에 비하여 1/5 정도로 느려 공정 시간 상이 이점을 활용하기 위하여 E-Cu를 얇게 도금하고 그 위에 E-Ni을 복합 도금하는 방법을 시도하였다. E-Ni/E -Cu UBM에서도 E-Ni 충의 두께를 1.
대상 데이터
- 1 정도로 유지하였다. E-Ni 도금은 Ni 이온 source로 황산니켈 (NiSO,, 환원제로 차아인산 나트 륨 (NaHzPOz), 그리고 complexing agent로 아세트산 (CHQOOH) 으로 구성된 용액을 이용하여 90 ±0.5℃ 온 도에서 수행하였다. pH 조정은 NH4OH 또는 HzSO,으로 조정하였는데 도금 중 pH는 약 4.
이론/모형
- IMC의 형태는 솔더 볼이 형성 된 시편을 80℃의 35g/l ortho-nitrophenol과 50g/l NaOH 혼합용액에서 30분 동안 담가 Sn만 선택적으로 에 칭한 후 평면 형상을 SEM으로 관찰하였다. 리플로 후 생성된 IMC의 종류는 에칭된 시편을 micro-area X-ray Diffractometer (Rigaku, Rint 2000) 을 이용하여 상분석을 수행하였는데 지름 100㎛의 Focus beam을 이용하여 20 ~ 120° 구간에 대해 fixed time 방식을 사용하였다.
- 무전해 도금 UBM 을 사용할 경우에는 pad의 open된 부분에만 금속 층이 형성되기 때문에 솔더 볼을 사용하거나 또는 Screen printing 법을 사용할 수 있다. 본 실험에서는 솔더 볼 형성에 따른 변수의 영향을 없애기 위하여 솔더 볼을 이용하였다. 리플로 공정은 최고 온도 (peak temperature) 는 240±5℃, 녹는점 이상에서의 지속- 시간(dwell time)은 80±5초, 초기 가열 속도는 1.
성능/효과
- 그림 5, 6는 두 가지 형태의 UBM에 대해 각각 1회 ~4 회 리플로 후 Sn을 선택적으로 에칭한 시편의 사진을 나타내었고, 그림 7은 이들 시편에 대한 Focused X-선 회절 결과를 보여준다. E-Cu와 Sn 간의 계면 IMC 성장을 살펴보면 조가비 모양(scallop-like) 으로 성장하는데 비해 ENi과 Sn 간에는 IMO]" 다각형 (polygonal-shape) 과 침상 (needle shape) 으로 성장하는 것을 볼 수 있었다. 또한, 리플로 횟수가 증가할수록 E-Cu 및 E-Ni 모두 IMC의 형태가 점차 커지는 것도 관찰되었는데, Ni-Sn IMC의 경우에는 다각형의 금속간 화합물의 크기 증가에 따라 침상 금속 간 화합물의 분율이 감소함을 볼 수 있다.
- Cu 및 Ni 무전해 도금법을 이용하여 Cu pad에 대한 솔더 플립칩 접속용 UBM을 제안 하였다. E-Cu UBM의 경우에는 fee 구조를 가져 IMC와의 결정학적 불일치에 의한 변형이 적어 계면 에너지 효과가 중요하게 되어 조가비 모양의 CusSru 상이 형성되었고, E-Ni/E-Cu UBM의 경우에는 비정질로 도금되는 무전해 Ni의 특성으로 의해 IMC 와의 결정학적 불일치가 커져 주로 다각형 모양의 Nien, 상이 형성 되는 것을 확인하였다. 한편, 무전해 Ni 충은 무전해 Cu 충에 비해 얇은 두께로도 Sn과 Cu pad 사이 반응에 대한 확산 방지 층 역할을 충분히 할 수 있음을 확인 하였다.
- E-Cu UBM 의 경우 짧은 리플로 회수에서도 취성이 큰 IMC 형성 양이 많아 접속 강도가 감소한 것으로 판단된다. E-Ni/E-Cu UBM에서 솔더 범프의 파단면은 리플로 횟수 증가에 따라 솔더 내부—솔더/Ni 계면 —Ni/Cu 및 Cu/Ti 계면으로 파괴 단면이 바뀌면서 강도 값의 변화를 나타내는 것을 확인하였다. E-Cu UBM의 경우 취성이 큰 IMC 형성 양이 많아 대부분 Cu6u5 상에서 파단이 발생하였으나, UBM 층이 얇은 경우에는 높은 응력으로 인해 4회 리플로 만으로도 Si cratering 현상이 나타나 경도 값이 급격히 감소하였다.
- E-Cu와 Sn 간의 계면 IMC 성장을 살펴보면 조가비 모양(scallop-like) 으로 성장하는데 비해 ENi과 Sn 간에는 IMO]" 다각형 (polygonal-shape) 과 침상 (needle shape) 으로 성장하는 것을 볼 수 있었다. 또한, 리플로 횟수가 증가할수록 E-Cu 및 E-Ni 모두 IMC의 형태가 점차 커지는 것도 관찰되었는데, Ni-Sn IMC의 경우에는 다각형의 금속간 화합물의 크기 증가에 따라 침상 금속 간 화합물의 분율이 감소함을 볼 수 있다. UBM 으로 사용된 E-Cu는 fee 구조이고 E-Nie 비정질을 나타내며 솔더 와 반응하여 형성된 IMC는 각각 CihSm 상 및 NisSm과 NiiSn 상인 것을 그림 7의 XRD 결과에서 확인할 수 있다.
- 그림에서 보면 1회 리플로 경우에는 파단면이 솔더 내에서 나타나지만, 리플로 횟수가 증가하면서 솔더 내부 파단과 함께 솔더 접합 부위의 edge 부분 에서 파단이 일어난 것을 볼 수 있다. 리플로 횟수 증가에 따라 솔더 edge 파단 양이 증가하였고, 특히 4회 리플로 후 에는 파단면의 양상이 다르게 관찰되었다. EDS 분석결과 그림 9(c) 의 B 부분은 소량의 Sn 이 있는 E-Ni 층 이었고, 그림 9(d) 의 C 부분은 Ni이 없는 Cu 층 이었으며, 그림 9(d) 의 D 부분은 Cu 충이 없는 Ti 층으로 확인 되었다.
- Jang 등22) 의 연구에서도 BiSn/E-Cu/Ti/Al 구조에서 10회 리플로 후 이와 같은 Si cratering 현상을 보고하였는데, 리플로가 진행되는 동안 유도된 큰 응력이 원인이라고 밝히고 있다. 본 실험에서의 E-Cu 5/an 경우도 리플로를 더 진행하게 되면 IMC 층의 두께가 상당히 두꺼워 지면서 일부 파단면이 Cu(Sn5 상 내부에서 Ti/Si 계면으로 전이되는 것을 확인하였다(그림 10(e)) . 따라서 E-Cut- UBM으로 사용할 경우에는 pad를 보호하기 위한 솔더와의 반응 양 외에도 사용목적에 따라 리플로 횟수 증가에 의한 IMC 층의 두께 증가에 따른 응력을 견딜 수 있는 충분한 두께를 이용하여야 함을 알 수 있다.
- E-Ni/E-Cu와 E-Cu UBM 사이에 강도값이 차이가 나는 이유는 다음의 두 가지 원인으로 생각할 수 있다. 첫 째, E-Cu UBM 의 경우 앞의 그림 3에서 보인 바와 같이 1회 리플로 후에도 IMC가 상당량 생성되기 때문에 취성이 강해져 접속 강도가 감소하는 것으로 판단되며, 둘째, 앞의 그림 6에서 보이는 바와 같이 솔더와의 계면에 E-Ni이 존재하게 되면 다각형 모양의 IMC가 형성되므로 E-Cu와 계면에서 형성되는 조가비 모양의 IMC에 비해 interface roughness가 증가하게 되어 접합력이 커져서 강도값이 증가되는 것이라고 생각된다. 실제로 Zhang 등20)은 전해 도 금된 Cu와 Ni UBM에 대하여 솔더와의 계면에서 형성된 이러한 IMC 형태의 차이가 fatigue crack의 성장에도 영향을 미친다고 보고하였다.
- E-Cu UBM의 경우에는 fee 구조를 가져 IMC와의 결정학적 불일치에 의한 변형이 적어 계면 에너지 효과가 중요하게 되어 조가비 모양의 CusSru 상이 형성되었고, E-Ni/E-Cu UBM의 경우에는 비정질로 도금되는 무전해 Ni의 특성으로 의해 IMC 와의 결정학적 불일치가 커져 주로 다각형 모양의 Nien, 상이 형성 되는 것을 확인하였다. 한편, 무전해 Ni 충은 무전해 Cu 충에 비해 얇은 두께로도 Sn과 Cu pad 사이 반응에 대한 확산 방지 층 역할을 충분히 할 수 있음을 확인 하였다.
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