[논문]Optoelectronic 패키징을 위한 Au-Sn 플립칩 범핑 기술과 신뢰성

윤정원; 김종웅; 구자명; 노보인; 정승부

doi:10.5781/kwjs.2008.26.1.037

문제 정의

본 고에서는 최근 패키징 분야에서 주목받고 있는 옵 토일렉트로닉 패키징을 위한 플립칩 (Flip-chip) 범핑 기술에 있어서 전해 도금방법을 이용한 Au-20Sn4 Au-90Sn 플립칩 솔더 범프의 제조기술과 제조된 플립 칩 솔더범프의 금속학적/기계적 신뢰성에 대한 연구결 과를 간략히 소개하고자 한다7-9).
본 고에서는 최근 패키징 분야에서 주목받고 있는 옵 토일렉트로닉 패키징을 위한 플립칩 (Flip-chip) 범핑 기술에 있어서 전해 도금방법을 이용한 Au-20Sn과 Au-90Sn 플립칩 솔더 범프의 제조기술과 제조된 플립 칩 솔더범프의 금속학적/기계적 신뢰성에 대한 연구결 과를 소개하였다. 순차적인 Sn과 Au의 전해도금공정과 리플로우 공정의 수행 후 약 100㎛직경의 Au-20Sn과 Au-90Sn 플립칩 솔더 범프가 성공적으로 형성되었다.

제안 방법

리플로우 된 Au-Sn 플립칩 솔더 범프가 150℃에서 1000시간동안 등온시효처리 되었으며, 접합부의 기계적 신뢰성을 평가하기 위하여, 100/Ws의 전단속도와 20㎛의 전단 높이하에서 전단시 험이 수행되었다. 각 솔더 접합부의 계면과 전단 시험 후 파면이 주사전자현미경으로 분석되었으며, 이를 바탕으로 Au-Sn 플립칩 솔더 접합부의 신뢰성이 평가되 었다.
9참조). 리플로우 된 Au-Sn 플립칩 솔더 범프가 150℃에서 1000시간동안 등온시효처리 되었으며, 접합부의 기계적 신뢰성을 평가하기 위하여, 100/Ws의 전단속도와 20㎛의 전단 높이하에서 전단시 험이 수행되었다. 각 솔더 접합부의 계면과 전단 시험 후 파면이 주사전자현미경으로 분석되었으며, 이를 바탕으로 Au-Sn 플립칩 솔더 접합부의 신뢰성이 평가되 었다.
제조된 두 종류의 Au-Sn 플립칩 솔더 범프의 기계 적 신뢰성을 조사하기 위해 솔더 범프 전단 시험이 수 행되었다. Fig.

성능/효과

이로 미루어 보아, (Au, Ni)Sn과 (Ni, Au)3Sn2 화합물의 생성을 예상할 수 있으나, 이전 연구자들이약 300℃의 리플로우 온도에서 Au-20Sn/Ni 계면에서는 (Ni, Au)3Sn2화합물이 생성된다고 보고하였다11). 150℃의 시효온도에서 시간이 증가함에 따라 계면화합 물은 조금 성장하였고, 우선적으로 반응하는 6상이 계 면화합물위에 위치하는 경향이 점차 증가하였다. 이로 인하여 Au-20Sn솔더의 미세조직이 다소 조대해지는 경향이 관찰되었다.
11참조) , Ni UBM과의 반응으로 계면에는 Au- Ni-Sn의 금속간화합물이 생성되었다. Ni UBM이, 상 보다 6상 (AuSn) 과 우선적으로 반응하였으며, 계면화 합물의 조성은 (34-35)Au-(20-23)Ni-(42-43)Sn (at. %)로 확인되었다. 그 조성이 Fig.
리플로우 후 솔더 범프의 단면 관찰결과, Au-20Sn 솔더는, 상 (AusSn) 과 6상 (AuSn) 으로 구성되었으며 (Fig. 11참조) , Ni UBM과의 반응으로 계면에는 Au- Ni-Sn의 금속간화합물이 생성되었다. Ni UBM이, 상 보다 6상 (AuSn) 과 우선적으로 반응하였으며, 계면화 합물의 조성은 (34-35)Au-(20-23)Ni-(42-43)Sn (at.
그림에서 보는 바와 같 이, 전해도금시 Au의 두께를 조절함에 따라 성공적으 로 Au-90Sn솔더 범프를 형성할 수 있었다. 리플로우 후 솔더 범프의 단면 관찰결과, Au-90Sn솔더는 n상 (AuSm) + 0-Sn상으로 구성되었으며, Ni UBM과의반응으로 계면에는 (Ni, Au)3&i4의 금속간화합물이 생 성되었다 (Fig. 14과 12참조). 그 계면화합물의 조성 은 28.
파면 분석 결과, Au-20Sn 솔더 접합부는 시효 시간에 관계없이 Ti/Cu metallization층과 Ni UBM층 사이에서 파괴 가 발생하였으며, 이로 미루어 보아, Au-20Sn 솔더와 Ni UBM층 사이의 접합 강도가 Ti/Cu metallization 층과 Ni UBM층 사이의 접합 강도보다 높다는 것을 확인할 수 있었다. 반면, Au-90Sn 솔더 접합부는 시 효 시간에 관계없이 계면 화합물 층에서 파괴가 발생하 였으며, 이로 미루어 보아, Au-90Sn 솔더와 Ni UBM층 사이의 접합이 기계적으로 우수하지 않음을 확 인할 수 있었다.
전단 시험 결과, 하드 솔더인 Au-20Sn 솔더 접합부 가 소프트 솔더인 Au-90Sn 솔더 접합부에 비해 우수 한 기계적 신뢰성을 나타내었다 (Fig. 18). 파면 분석 결과, Au-20Sn 솔더 접합부는 시효 시간에 관계없이 Ti/Cu metallization층과 Ni UBM층 사이에서 파괴 가 발생하였으며, 이로 미루어 보아, Au-20Sn 솔더와 Ni UBM층 사이의 접합 강도가 Ti/Cu metallization 층과 Ni UBM층 사이의 접합 강도보다 높다는 것을 확인할 수 있었다.
150 ℃의 등온시효동안에 Au-20Sn/Ni 플립칩 솔더 접 합부는 안정된 계면 형상을 유지하였으나, Au-90Sn/Ni 플립칩 솔더 접합부는 빠른 계면반응 및 많은 Sn의 소 모로 인하여 솔더 미세조직이 크게 변화하였다. 전단 시험 결과, 하드 솔더인 Au-20Sn 솔더 접합부가 소프 트 솔더인 Au-90Sn 솔더 접합부에 비해 우수한 기계 적 신뢰성을 나타내었다.
18). 파면 분석 결과, Au-20Sn 솔더 접합부는 시효 시간에 관계없이 Ti/Cu metallization층과 Ni UBM층 사이에서 파괴 가 발생하였으며, 이로 미루어 보아, Au-20Sn 솔더와 Ni UBM층 사이의 접합 강도가 Ti/Cu metallization 층과 Ni UBM층 사이의 접합 강도보다 높다는 것을 확인할 수 있었다. 반면, Au-90Sn 솔더 접합부는 시 효 시간에 관계없이 계면 화합물 층에서 파괴가 발생하 였으며, 이로 미루어 보아, Au-90Sn 솔더와 Ni UBM층 사이의 접합이 기계적으로 우수하지 않음을 확 인할 수 있었다.

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