Microstructural evolution and the intermetallic compound (IMC) growth kinetics in an Au stud bump were studied via isothermal aging at 120, 150, and $180^{\circ}C$ for 300hrs. The $AlAu_4$ phase was observed in an Al pad/Au stud interface, and its thickness was kept constant du...
Microstructural evolution and the intermetallic compound (IMC) growth kinetics in an Au stud bump were studied via isothermal aging at 120, 150, and $180^{\circ}C$ for 300hrs. The $AlAu_4$ phase was observed in an Al pad/Au stud interface, and its thickness was kept constant during the aging treatment. AuSn, $AuSn_2,\;and\;AuSn_4$ phases formed at interface between the Au stud and Sn. $AuSn_2,\;AuSn_2/AuSn_4$, and AuSn phases dominantly grew as the aging time increased at $120^{\circ}C,\;150^{\circ}C,\;and\;180^{\circ}C$, respectively, while $(Au,Cu)_6Sn_5/Cu_3Sn$ phases formed at Sn/Cu interface with a negligible growth rate. Kirkendall voids formed at $AlAu_4/Au$, Au/Au-Sn IMC, and $Cu_3Sn/Cu$ interfaces and propagated continuously as the time increased. The apparent activation energy for the overall growth of the Au-Sn IMC was estimated to be 1.04 eV.
Microstructural evolution and the intermetallic compound (IMC) growth kinetics in an Au stud bump were studied via isothermal aging at 120, 150, and $180^{\circ}C$ for 300hrs. The $AlAu_4$ phase was observed in an Al pad/Au stud interface, and its thickness was kept constant during the aging treatment. AuSn, $AuSn_2,\;and\;AuSn_4$ phases formed at interface between the Au stud and Sn. $AuSn_2,\;AuSn_2/AuSn_4$, and AuSn phases dominantly grew as the aging time increased at $120^{\circ}C,\;150^{\circ}C,\;and\;180^{\circ}C$, respectively, while $(Au,Cu)_6Sn_5/Cu_3Sn$ phases formed at Sn/Cu interface with a negligible growth rate. Kirkendall voids formed at $AlAu_4/Au$, Au/Au-Sn IMC, and $Cu_3Sn/Cu$ interfaces and propagated continuously as the time increased. The apparent activation energy for the overall growth of the Au-Sn IMC was estimated to be 1.04 eV.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 시효처리에 따른 Au stud/Sn 범프 내의 계면 미세구조 변화와 금속간화합물의 성장거동에 대한 연구를 수행하였다.
제안 방법
후)상부칩은">상부 칩은 Si로 구성되어 있으며 와이어 본딩 (wire bonding) 공정을 통하여 Al 배선에 Au stud를 형성하였다. Au stud가 형성된 상부 칩을 하부 인쇄회로 기판(printed circuit board, PCB)의 Cu 배선위에 pure Sn 솔더를 사용하여 플립칩 본딩 하였다. 리플로우된 3개의 시편을 #2000의 연마지와 1~3 µm의 연마천을 이용하여 단면 폴리싱한 후, 일정한 온도로 유지되어 있는 오븐에서 각각 120, 150, 180oC의 온도로
">분석 하였다. 또한 금속간화합물의 두께는 image analyzer를 이용하여 측정한 금속간화합물의 면적을 계면의 길이로 나눔으로써 정의하였고, 시효처리 온도와 시간에 따른 금속간화합물의 두께변화를 이용하여 활성화 에너지 값을 평가하는데 적용하였다.
리플로우된 3개의 시편을 #2000의 연마지와 1~3 µm의 연마천을 이용하여 단면 폴리싱한 후, 일정한 온도로 유지되어 있는 오븐에서 각각 120, 150, 180oC의 온도로 300시간동안 시효처리하면서 지속적으로 관찰하였다.
시효처리 시간에 따른 Al과 Au stud 계면에서의 미세 구조 변화와 금속간화합물의 성장거동을 관찰하기위해 리플로우 후에 150°C의 온도에서 100시간동안 시효 처리한 Au stud 범프의 Al/Au stud 계면 확대 BSE 사진을 Fig. 4에 나타내었다.
후)시효 처리">시효처리 온도와 시간에 따른 Au stud 범프 내의 계면 미세구조 변화와 금속간화합물 성장거동을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
시효처리 온도와 시간에 따른 Au stud 범프에서의 계면 미세구조 변화와 금속간화합물의 성장거동을 관찰하기위해 각각 120, 150, 180ºC의 온도에서 260시간동안 시효 처리한 Au stud 범프의 전체적인 단면 BSE 사진을 Fig. 2에 나타내었다.
후)시효 처리에">시효처리에 따른 Au stud 범프 내 각 계면 미세구조 변화와 금속간화합물의 성장거동은 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)의 BSE(back scattered electron)사진과 EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy)를 이용하여 분석 하였다. 또한 금속간화합물의 두께는 image analyzer를 이용하여 측정한
후)시효 처리에">시효처리에 따른 Au stud 범프 내의 계면 미세구조 변화와 금속간화합물의 성장거동을 실시간으로 연구하였다. 본 연구에 사용된 Au stud 범프 구조를 Fig.
이론/모형
후)효 처리">효처리 온도가 높을수록 전체 Au-Sn 금속간화합물의 두께는 더욱 두꺼운 경향을 나타내었다. 전체 Au-Sn 금속간화합물의 성장에 대한 활성화 에너지는 식(1)의 Arrhenius 방정식을 이용하여 계산할 수 있다.
성능/효과
1. Au stud/Sn 계면에서는 리플로우 후에 Au stud로부터 차례로 AuSn, AuSn2, AuSn4가 형성되었으며 시효 처리 시간이 경과함에 따라 각각 120°C에서 AuSn2, 150oC에서 AuSn2와 AuSn4 그리고 180oC에서는 AuSn이 지배적으로 성장하였다.
2. Al/Au stud 계면에서는 리플로우 후에 AlAu4가 형성되었으며, 시효처리 시간에 따른 AlAu4의 두께는 거의 일정하였다. 이는 높은 온도의 리플로우 과정에서 얇은 두께의 Al 배선이 모두 Au stud와 반응하여
후)금속간 화합물의">금속간화합물의 성장을 야기한다.3) 이러한 솔더 접합부에서 형성되는 과도한 금속간화합물은 접합부의 기계적인 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다. 또한 두 원자의
3. Sn/Cu 계면에서는 리플로우 후에 (Au,Cu)6Sn5와 Cu3Sn 이 형성되었으며 시효처리 시간에 따른 두께변화는 관찰 되지 않았다. 이러한 (Au,Cu)6Sn5의 형성은
4. Kirkendall void는 AlAu4/Au stud, Au stud/Au-Sn 금속간화합물 그리고 Cu3Sn/Cu 계면에서 형성되었으며 시효처리 시간이 증가할수록 성장하였다.
후)5.시효처리">5. 시효처리 온도와 시간에 따른 금속간화합물의 두께 변화를 측정한 결과 Au-Sn 금속간화합물의 성장은 전체적으로 확산에 의해 지배되었다고 생각된다. 전체 Au-Sn
후)두께 변화를">두께변화를 나타낸 그래프이다. SEM과 EDS 분석 결과 세 가지 시편 모두 초기 리플로우 후 이미 모든 Sn이 Au stud의 Au원자와 반응하여 Au stud/Sn 계면으로부터 차례로 AuSn, AuSn2, AuSn4의 금속간화합물을 형성하였다. 시효처리 온도와 시간에 따른 두께 변화를 관찰한 결과
후)리플로우시">리플로우 시 Au stud에서부터 Sn 내로 용해된 Au원자가 Sn과 Cu의 계면 반응에 영향을 미쳤기 때문이라 판단되어진다. 리플로우 후에 Cu3Sn과 Cu 의 계면에서는 Kirkendall void가 관찰되었고, 시효처리 시간이 경과할수록 Cu3Sn과 Cu 계면을 따라 성장하였다.
시효처리 온도와 시간에 따른 두께 변화를 관찰한 결과 시효처리 시간이 경과함에 따라 120°C에서는 AuSn2, 150°C에서는 AuSn2와 AuSn4, 180°C에서는 AuSn이 지배적으로 성장하였다.
후속연구
후)미세 구조에">미세구조에 민감하다고 알려져 있다.7) 따라서 솔더 접합부의 신뢰성을 확보하기위해서는 Au와 솔더 사이의 계면 미세 구조 변화와 금속간화합물의 형성과 성장 거동에 대한 연구가 필요하다. 지금까지
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플립칩 패키징 기술은 솔더 범프의 본딩을 위해 무엇이 요구되는가?
최근 전자기기의 고성능화와 소형화의 추세에 따라 반도체 소자의 접촉 패드와 패키지 기판을 솔더 범프를 이용하여 직접 연결함으로써 신호지연의 감소로 인한 고성능화와 패키지의 면적 감소로 인한 소형화를 이룰 수 있는 플립칩 패키징 기술이 널리 사용되고 있다.1) 하지만 이러한 플립칩 패키징 기술은 솔더 범프의 본딩을 위해 패드에 금속하부층(under bump metallurgy, UBM)의 형성이 요구되며 이를 위해서는 고가의 장비와 높은 공정 비용을 필요로 한다. 따라서 기존의 와이어 본딩 기술을 응용한 stud 범프 본딩 기술이 저가의 플립칩 패키징 기술의 대안으로 주목받고 있다.
Stud 범프 본딩 기술의 장점은?
따라서 기존의 와이어 본딩 기술을 응용한 stud 범프 본딩 기술이 저가의 플립칩 패키징 기술의 대안으로 주목받고 있다. Stud 범프 본딩 기술은 미세 피치(pitch)를 적용할 수 있을 뿐만 아니라 UBM 형성 공정이 불필요하게 되어 공정비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.2) Stud 범프 본딩의 재료로는 주로 Au가 사용되고 있으며, 솔더 재료로는 Pb에 대한 사용규제로 인해 Pb를 포함하지 않는 무연 솔더가 많이 사용되고 있는 추세이다.
참고문헌 (12)
International Technology Roadmap for Semiconductors 1999 Edition, 'Assembly & Packaging', http://www.itrs.net/Links/2000UpdateFinal/AssemblyPkg2000final.pdf, updated 14 January 2008
M. S. Shin and Y. H. Kim, J. Electron. Mater., 32(12), 1448 (2003)
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