열처리 및 electromigration에 따른 Cu pillar범프 내 금속간화합물의 성장거동을 비교하기 위해서 각각 $150^{\circ}C$와 $150^{\circ}C,\;5{\times}10^4\;A/cm^2$의 조건에서 실험을 실시하였다. 또한 금속간화합물의 성장이 Cu pillar 범프 접합부의 기계적 신뢰성에 미치는 영향을 평가하기 위해 4점굽힘강도실험을 실시하여 열처리에 따른 계면접착에너지를 평가하였다. 리플로우 후에 Cu pillar/Sn 계면에서는 $Cu_6Sn_5$만이 관찰되었지만, 열처리 및 electromigration 실험 시간이 경과함에 따라 $Cu_3Sn$이 Cu pillar와 $Cu_6Sn_5$ 사이의 계면에서 생성되어 $Cu_6Sn_5$와 함께 성장하였다. 전체($Cu_6Sn_5+Cu_3Sn$)금속간화합물의 성장거동은 Cu pillar 범프 내 Sn이 모두 소모될 때 변화하였고, 이러한 금속간화합물 성장거동의 변화는 electromigration의 경우가 열처리의 경우보다 훨씬 빠르게 나타났다. 열처리 전 시편의 계면접착에너지는 $3.37J/m^2$이고, $180^{\circ}C$에서 24시간동안 열처리한 시편의 계면접착에너지는 $0.28J/m^2$로 평가되었다. 따라서 금속간화합물의 성장은 접합부의 기계적 신뢰성에 영향을 주는 것으로 판단된다.
열처리 및 electromigration에 따른 Cu pillar 범프 내 금속간화합물의 성장거동을 비교하기 위해서 각각 $150^{\circ}C$와 $150^{\circ}C,\;5{\times}10^4\;A/cm^2$의 조건에서 실험을 실시하였다. 또한 금속간화합물의 성장이 Cu pillar 범프 접합부의 기계적 신뢰성에 미치는 영향을 평가하기 위해 4점굽힘강도실험을 실시하여 열처리에 따른 계면접착에너지를 평가하였다. 리플로우 후에 Cu pillar/Sn 계면에서는 $Cu_6Sn_5$만이 관찰되었지만, 열처리 및 electromigration 실험 시간이 경과함에 따라 $Cu_3Sn$이 Cu pillar와 $Cu_6Sn_5$ 사이의 계면에서 생성되어 $Cu_6Sn_5$와 함께 성장하였다. 전체($Cu_6Sn_5+Cu_3Sn$)금속간화합물의 성장거동은 Cu pillar 범프 내 Sn이 모두 소모될 때 변화하였고, 이러한 금속간화합물 성장거동의 변화는 electromigration의 경우가 열처리의 경우보다 훨씬 빠르게 나타났다. 열처리 전 시편의 계면접착에너지는 $3.37J/m^2$이고, $180^{\circ}C$에서 24시간동안 열처리한 시편의 계면접착에너지는 $0.28J/m^2$로 평가되었다. 따라서 금속간화합물의 성장은 접합부의 기계적 신뢰성에 영향을 주는 것으로 판단된다.
Thermal annealing and electromigration test were performed at $150^{\circ}C$ and $150^{\circ}C,\;5{\times}10^4\;A/cm^2$ conditions, respectively, in order to compare the growth kinetics of intermetallic compound(IMC) in Cu pillar bump. The quantitative interfacial adhesion ener...
Thermal annealing and electromigration test were performed at $150^{\circ}C$ and $150^{\circ}C,\;5{\times}10^4\;A/cm^2$ conditions, respectively, in order to compare the growth kinetics of intermetallic compound(IMC) in Cu pillar bump. The quantitative interfacial adhesion energy with annealing was measured by using four-point bending strength test in order to assess the effect of IMC growth on the mechanical reliability of Cu pillar bump. Only $Cu_6Sn_5$ was observed in the Cu pillar/Sn interface after reflow. However, $Cu_3Sn$ formed and grew at Cu pillar/$Cu_6Sn_5$ interface with increasing annealing and stressing time. The growth kinetics of total($Cu_6Sn_5+Cu_3Sn$) IMC changed when all Sn phases in Cu pillar bump were exhausted. The complete consumption time of Sn phase in electromigration condition was faster than that in annealing condition. The quantitative interfacial adhesion energy after 24h at $180^{\circ}C$ was $0.28J/m^2$ while it was $3.37J/m^2$ before annealing. Therefore, the growth of IMC seem to strongly affect the mechanical reliability of Cu pillar bump.
Thermal annealing and electromigration test were performed at $150^{\circ}C$ and $150^{\circ}C,\;5{\times}10^4\;A/cm^2$ conditions, respectively, in order to compare the growth kinetics of intermetallic compound(IMC) in Cu pillar bump. The quantitative interfacial adhesion energy with annealing was measured by using four-point bending strength test in order to assess the effect of IMC growth on the mechanical reliability of Cu pillar bump. Only $Cu_6Sn_5$ was observed in the Cu pillar/Sn interface after reflow. However, $Cu_3Sn$ formed and grew at Cu pillar/$Cu_6Sn_5$ interface with increasing annealing and stressing time. The growth kinetics of total($Cu_6Sn_5+Cu_3Sn$) IMC changed when all Sn phases in Cu pillar bump were exhausted. The complete consumption time of Sn phase in electromigration condition was faster than that in annealing condition. The quantitative interfacial adhesion energy after 24h at $180^{\circ}C$ was $0.28J/m^2$ while it was $3.37J/m^2$ before annealing. Therefore, the growth of IMC seem to strongly affect the mechanical reliability of Cu pillar bump.
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제안 방법
내었다. 준비된 시 편을 180。<2에서 24시 간동안 열처리 한 다음, LLOYD Instruments 사 인장 시험기의 4점굽힙강도시험 기를 통해 계면접착에너지를 평가하였고, 열처리를 하지 않은 시편의 계면 접착에너지와의 비교를 통하여 금속간화합물의 성장이 Cu pillar 범프의 기계적 신뢰성에 미치는 영향에 대해 평가하였다.
비교 분석하였다. 또한 금속간화합물의 형성 및 성장이 Cu piUar 범프 내 접합부의 기계적 신뢰성에 미치는 영향을 알아보기 위해 4점굽힙 강도실험 (4-point bending strength test)을 실시하여 열처리에 따른 계면접착에너지를 평가하여 비교하였다.
2(b)에 나타내었다. 먼저 Sit》가 도포된 500|im두께의 4인치 Si 웨이퍼에 스퍼터 (sputter) 공정을 통하여 Cr과 Cu를 각각 200 nm로증착한 후, 전기 도금을 실시하여 5 nm두께 의 Cu 박막을 형성 하였다. 형성된 Cu 박막위에 Sn을 2|xm의 두께로 증
본 연구에서는 Cu pillar/Sn 범프 구조에서 열처리 및 electromigration 실험을 실시하여 온도 및 전류인가에 따른 Cu piHar 범 프 내 금속간화합물의 성장 거동을 비교 분석하였다. 또한 금속간화합물의 형성 및 성장이 Cu piUar 범프 내 접합부의 기계적 신뢰성에 미치는 영향을 알아보기 위해 4점굽힙 강도실험 (4-point bending strength test)을 실시하여 열처리에 따른 계면접착에너지를 평가하여 비교하였다.
상부 칩과 하부 기판은 전기도금 된 약 5 |im 두께 의 Sn 솔더 를 사용하여 플립 칩 본딩 (bonding)하였다. 열처리 및 electromigration에 따른 금속간화합물의 성장을 실시간으로 관찰하기 위해 2개의 시편을 #2000의 연마지와 1~3 皿1의 연마천을 이용하여 단면 폴리 싱 한 毛 각각 15(FC와 150℃, 5x10* A/cn?의 조건에서 실험을 실시하였다.
열처리 및 electromigration에 따른 금속간화합물의 성장을 실시간으로 관찰하기 위해 2개의 시편을 #2000의 연마지와 1~3 皿1의 연마천을 이용하여 단면 폴리 싱 한 毛 각각 15(FC와 150℃, 5x10* A/cn?의 조건에서 실험을 실시하였다. 열처리 및 electromigi沛on에 따른 금속간화합물 형성과 성장은 주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM) 의 BSE(back scattered electron)사진과 EDS(eneigy dispersive x-ray spectroscopy)를 이용하여 분석 하였고, image analyzer를 이용하여 정 량화한 온도 및 전류인가 시간에 따른 금속간화합물의 두께 변화를 통해 열처리 및 electromigmtion에 따른 금속간화합물의 성장거동을 평가하였다.
열처리 및 electromigration에 따른 Cu pillar 범프내 의 금속간화합물의 성 장거 동과 4점굽힙강도실험을 통한 열처리에 따른 Cu pillar 범프 접합부의 기계적 신뢰성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
열처리 및 electromigration에 따른 Cu pillar 범프내의 금속간화합물 형성과 성장거동을 실시간으로 연구하였다. 본 연구에 사용된 Cu pillar 범 프의구조를 Fig.
열처리 에 따른 금속간화합물의 성 장이 Cu pillar bump 접합부의 기계적 신뢰성에 미치는 영향을 평가하기 위해 4점굽힙강도실험을 실시하여 계면접착에너지의 거동을 평가하였다. 이 시험법은 Fig.
대상 데이터
연구하였다. 본 연구에 사용된 Cu pillar 범 프의구조를 Fig. 1에 나타내었다. Si로 구성 되어 있는 상부 칩의 A1 배선 위에 전기도금을 통하여 패드에 약 40 nm 두께의 Cu pillar를 형성 하였고, 하부인쇄회로기판(printed circuit board, PCB)에 역시 전기 도금을 통하여 약 20 呻 두께의 Cu 배선을 형성하였다.
본딩된 웨이퍼는 다이싱(dicing) 장비에서 다이아몬드 블레 이드로 30mmx3mm의 크기로 조각을 내었고, 아래쪽 Si 웨이퍼의 중심에는 초기 균열 진전을 유도하기 위해 450gm 깊이의 노치 (notch)> 내었다. 준비된 시 편을 180。<2에서 24시 간동안 열처리 한 다음, LLOYD Instruments 사 인장 시험기의 4점굽힙강도시험 기를 통해 계면접착에너지를 평가하였고, 열처리를 하지 않은 시편의 계면 접착에너지와의 비교를 통하여 금속간화합물의 성장이 Cu pillar 범프의 기계적 신뢰성에 미치는 영향에 대해 평가하였다.
성능/효과
28 J/n?이 였다. 이를 통해 180。(2에서 24시간동안 열처리 한 시편의 계면접착에너지는 급격하게 감소하는 것을 알 수 있었다. 이러한 열처리에 따른 계면접착에너지의 감소는 Fig.
그 후 시간이 경과함에 따라 일정한 비율을 유지하다가 열처리의 경우 240시간 이후 그리고 electromigration의 경우 60시간 °] 후에 Cu pillar 범프 내 Sn이 완전히 소모되면서 Cu6Sri5와 전체 (Cu6Sn5 + C/Sn)금속간화합물과의 비율은 점차 감소하였고 CibSn과 전체((鴻睥 + (国时 ) 금속간화합물과의 비율은 증가하였다. Cu pillar 범 프 내 Sn의 완전한 소모로 인한 금속간화합물 성장 거동의 변화는 electromigration의 경우가 열처리의 경우보다 훨씬 빠르게 나타났다.
이는 Cu와 Sn 사이의 금속간화합물 성장이 열처리는 확산, electromigratione 두 원자사이의 화학적 인 반응에 의해 지배되어졌기 때문이라 판단된다. 또한 전체 (Cu6Sn5 + CieSn)금속간화합물의 성장거동은 Cu pillar 범프 내 Sn이 모두 소모될 때 변화하였고, electromigration의 경우가 열처 리의 경우보다 훨씬 빠르게 나타났다. 이는 Cu pillar 범프 내 Sn。] Cu 와 반응하여 완전히 소모되면서 더 이상의 금속간화합물 성장은 발생하지 않고, Cii6Sn5가 Cu pillar 에서 무한히 공급된 Cu원자와 반응하여 Cw Sn으로 변하는 상변태만 일어나기 때문인 것으로 판단되어진다.
하지만 열처리의 경우 135시간 경과 후에도 가운데 Sn 상이 관찰되 었지 만, electromigration의 경우 60시 간 이후부터 Sn 상을 관찰할 수 없었다. 이를 통해 Cu 와 Sn의 반응속도는 온도만 인가할 때 보다 온도와 전류를 함께 인가할 때 더 빠르다는 것을 알 수 있었다. 이는 electron wind force가 Cu와 Sn의 반응에 영향을 미쳤기 때문이라고 판단되어진다.
전체((乂踞 + CibSn)금속간화합물의 성장 거동은 열처리의 경우 시간이 경과함에 따라 시간의 제곱근에 직선 형태로 증가하였고, electro migration의 경우 전류인가 시간이 경과함에 따라 시간에 직선적으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 Cu와 Sn 사이의 금속간화합물 성장이 열처리는 확산, electromigratione 두 원자사이의 화학적 인 반응에 의해 지배되어졌기 때문이라 판단된다.
후속연구
83). 추후 시편의 파괴 계면에 대한 SEM 및 EDS 등의 추가적인 분석을 통하여 파괴 경 로에 대한 규명이 필요하다.
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