본 논문에서는 유기 기판 위에 $100{\mu}m$피치를 갖는 플립칩 구조인 Cu(60 um)/SnAg(20 um) 더블 범프 플립칩 어셈블리를 구현하여 이의 리플로우, 고온 유지 신뢰성, 열주기 신뢰성, Electromigration 신뢰성을 평가하였다. 먼저, 리플로우의 경우 횟수와 온도에 상관없이 범프 접속 저항의 변화는 거의 나타나지 않음을 알 수 있었다. 125도 고온 유지 시험에서는 2000시간까지 접속 저항 변화가 관찰되지 않았던 반면, 150도에서는 Kirkendall void의 형성으로 인한 접속 저항의 증가가 관찰되었다 또한 Electromigration 시험에서는 600시간까지 불량이 발생하지 않았는데 이는 Al금속 배선에서 유발되는 높은 전류 밀도가 Cu 칼럼의 높은 두께로 인해 솔더 영역에서는 낮아지기 때문으로 해석되었다. 열주기 시험의 경우, 400 cycle 이후부터 접속 저항의 증가가 발견되었으며, 이는 열주기 시험 동안 실리콘 칩과 Cu 칼럼 사이에 작용하는 압축 변형에 의해 그 사이에 있는 Al 및 Ti 층이 바깥쪽으로 밀려나감으로 인해 발생하는 것으로 확인되었다.
본 논문에서는 유기 기판 위에 $100{\mu}m$ 피치를 갖는 플립칩 구조인 Cu(60 um)/SnAg(20 um) 더블 범프 플립칩 어셈블리를 구현하여 이의 리플로우, 고온 유지 신뢰성, 열주기 신뢰성, Electromigration 신뢰성을 평가하였다. 먼저, 리플로우의 경우 횟수와 온도에 상관없이 범프 접속 저항의 변화는 거의 나타나지 않음을 알 수 있었다. 125도 고온 유지 시험에서는 2000시간까지 접속 저항 변화가 관찰되지 않았던 반면, 150도에서는 Kirkendall void의 형성으로 인한 접속 저항의 증가가 관찰되었다 또한 Electromigration 시험에서는 600시간까지 불량이 발생하지 않았는데 이는 Al금속 배선에서 유발되는 높은 전류 밀도가 Cu 칼럼의 높은 두께로 인해 솔더 영역에서는 낮아지기 때문으로 해석되었다. 열주기 시험의 경우, 400 cycle 이후부터 접속 저항의 증가가 발견되었으며, 이는 열주기 시험 동안 실리콘 칩과 Cu 칼럼 사이에 작용하는 압축 변형에 의해 그 사이에 있는 Al 및 Ti 층이 바깥쪽으로 밀려나감으로 인해 발생하는 것으로 확인되었다.
In this study, reliabilities of Cu (60 um)/SnAg (20 um) double-bump flip chip assemblies were investigated for the flip chip interconnections on organic substrates with 100 um pitch. After multiple reflows at $250^{\circ}C\;and\;280^{\circ}C$, bump contact resistances were almost same reg...
In this study, reliabilities of Cu (60 um)/SnAg (20 um) double-bump flip chip assemblies were investigated for the flip chip interconnections on organic substrates with 100 um pitch. After multiple reflows at $250^{\circ}C\;and\;280^{\circ}C$, bump contact resistances were almost same regardless of number of reflows and reflow temperature. In the high temperature storage test, there was no bump contact resistance change at $125^{\circ}C$ up to 2000 hours. However, bump contact resistances slightly increased at $150^{\circ}C$ due to Kirkendall voids formation. In the electromigration test, Cu/SnAg double-bump flip chip assemblies showed no electromigration until about 600 hours due to reduced local current density. Finally, in the thermal cycling test, thermal cycling failure mainly occurred at Si chip/Cu column interface which was found out the highest stress concentration site in the finite element analysis. As a result, Al pad was displaced out under thermal cycling. This failure mode was caused by normal compressive strain acting Cu column bumps along perpendicular direction of a Si chip.
In this study, reliabilities of Cu (60 um)/SnAg (20 um) double-bump flip chip assemblies were investigated for the flip chip interconnections on organic substrates with 100 um pitch. After multiple reflows at $250^{\circ}C\;and\;280^{\circ}C$, bump contact resistances were almost same regardless of number of reflows and reflow temperature. In the high temperature storage test, there was no bump contact resistance change at $125^{\circ}C$ up to 2000 hours. However, bump contact resistances slightly increased at $150^{\circ}C$ due to Kirkendall voids formation. In the electromigration test, Cu/SnAg double-bump flip chip assemblies showed no electromigration until about 600 hours due to reduced local current density. Finally, in the thermal cycling test, thermal cycling failure mainly occurred at Si chip/Cu column interface which was found out the highest stress concentration site in the finite element analysis. As a result, Al pad was displaced out under thermal cycling. This failure mode was caused by normal compressive strain acting Cu column bumps along perpendicular direction of a Si chip.
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문제 정의
마지 막으로, Cu 칼럼의 높이를 용이 하게 조절함으로써, 열주기 신뢰성과 같은 열기계적 변형이 반복되는 환경에서 우수한 플립칩 신뢰성을 기대할 수 있다.4) 이러한 장점에도 불구하고 그동안 Cu/SnAg 더블 범프 구조와 이를 적용한 플립칩의 신뢰성에 대한 연구는 미흡한 실정이며, 본 연구를 통해 Cu/SnAg 더블 범프를 사용한 100um 피치 플립칩의 열적, 전기적, 열 기계적 신뢰성에 대해 고찰하고자 한다.
본 연구를 통해, 100um 이하의 미세피치 접속을 위해제안된 Cu/SnAg 더블범프 플립칩의 열적, 전기적, 열기계적 신뢰성을 조사하였다. 먼저 열적 신뢰성을 평가하기 위해, multiple reflow와 고온 유지시험 (HTS: therm시 aging)을 통해 종래의 솔더플립칩에 비해 솔더의 양이 현저히 낮은 더블 범프 구조의 계면 현상을 관찰하고, 열처리 동안의 접속 저항의 변화를 측정하였다.
가설 설정
11. FEM analysis result under thermal cycling (a) Thermal deformation at 125℃, (b) Vbn-Mises stress, (c) Equivalent plastic strain of Cu column in contact with Si chip and (d) normal plastic strain of Cu column in contact with Si chip at the y-direction.
제안 방법
8A의 전류, 15CFC의 온도 하에서 더블 범프 조인트의 저항 변화를 관찰하였다. 마지막으로, 열주기 시험(-55。(2, 15분~125。(2, 15분, 1000cycle)을 통해 플립칩의 열 기계적 신뢰성을 평가하였다.
첫째, 플립칩 조인트의 열적 신뢰성을 평가하기 위해 Multiple reflow(250℃ 및 280℃, 최대 5회 reflow) 및 고온 유지 시험 (125℃ 및 150℃, 2000시간)을 수행하였다. 다음으로, 전류가 가해졌을 때 플립칩 조인트의 열적, 전기적 신뢰성인 electromigration 시험을 0.8A의 전류, 15CFC의 온도 하에서 더블 범프 조인트의 저항 변화를 관찰하였다. 마지막으로, 열주기 시험(-55。(2, 15분~125。(2, 15분, 1000cycle)을 통해 플립칩의 열 기계적 신뢰성을 평가하였다.
따라서 종래의 솔더 범프 구조 대신에 새로운범프 구조가 필요하며, 이러한 이유로 본 논문에서는 미세 피치 솔더 플립칩 구조로서 Cu 칼럼 범프와 SnAg 솔더 범프를 각각 60um 및 20um 두께로 형성된 적층 형태의 더블 범프 구조를 제안하고, 이를 유기 기판 위에 플립칩 접속한 뒤 열적, 기계적, 전기적 신뢰성 평가를 수행하였다.Cu 칼럼을 사용한 Cu/SnAg 더블 범 프 구조의 장점은 크게 3가지로 요약할 수 있다.
먼저 열적 신뢰성을 평가하기 위해, multiple reflow와 고온 유지시험 (HTS: therm시 aging)을 통해 종래의 솔더플립칩에 비해 솔더의 양이 현저히 낮은 더블 범프 구조의 계면 현상을 관찰하고, 열처리 동안의 접속 저항의 변화를 측정하였다. 이 결과, 솔더의 양이 적음에도 불구하고 솔더의 소모에 의한 접속 저항 증가는 나타나지 않았으나, i5(rc에서의 고온 유지시험의 경우, Cu 칼럼과 SnAg 솔더 계면에서 과도한 양의 Kirkendall void의 생성으로 인해 접속 저항의 증가가 일부 나타났다.
첫째, 플립칩 조인트의 열적 신뢰성을 평가하기 위해 Multiple reflow(250℃ 및 280℃, 최대 5회 reflow) 및 고온 유지 시험 (125℃ 및 150℃, 2000시간)을 수행하였다. 다음으로, 전류가 가해졌을 때 플립칩 조인트의 열적, 전기적 신뢰성인 electromigration 시험을 0.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 테스트 칩은 9.8 mmx 11.03 mm 크기의 실리콘 칩으로서, 칩의 가운데에 128 개의 I/O가, 칩의 네 가장자리에 각각 16개씩의 1/ O가 배열되어, 총 192개의 범프를 갖는 구조로 되어 있다. Cu 칼럼 이 60 um, SnAg 솔더가 20um으로 Cu/SnAg 더블 범프의 높이는 80um이며, 범프간 간격, 즉 피치 (pitch)는 100um이다.
Cu 칼럼 이 60 um, SnAg 솔더가 20um으로 Cu/SnAg 더블 범프의 높이는 80um이며, 범프간 간격, 즉 피치 (pitch)는 100um이다. 플립칩 접속을 위한 유기 PCB 기판은 37.5 mmx37.5 mm의 크기로, 접속 여부와 개별 범프의 접속 저항을 확인하기 위해 Daisy chain 구조 및 4-pt Kelvin 구조가 형성되어 있다. Fig.
성능/효과
Multiple reflow의 경우와는 달리, Cu 칼럼 쪽에서는 Cu6Sn5 아래에 어두운 Cu3Sn 금속간화합물이 띠의 형태로 생성되며, Cu3Sn 층 내에 Cu와 Sn의 확산 속도의 차이로 인한 Kirkendall void가 생성됨을 알 수 있다. 그러나 Fig. 5와 Fig. 6에서 보는 바와 같이, reflow 동안의 Cu/SnAg 더블 범프의 접속 저항은 금속 간 화합물의 성장이나 SnAg 솔더의 소모와는 무관한 것으로 나타났으며, 2000시간 고온 유지 시험 후에도 접속 저항의 변화는 크게 나타나지 않았다. Fig.
1은 본 연구에서 사용한 Cu/ Sn厶g 더블 범프 및 PCB 기판에 접속된 플립칩 어셈블리의 단면 사진을 보여준다. 단면 관찰 및 SAM (Scanning acoustic Microscope)를 통한 플립 칩 내부 관찰을 통해 100um 피치에서 인접한 범프 간의 쇼트 현상이 발생하지 않고, 12~ 14m£2의 균일한 접속 저항을 갖는 것으로 나타났다.
첫째, 두꺼운 Cu 칼럼의 높은 녹는점과 SnAg 솔더 범프의 제한된 부피를 가짐으로써 100um 이하의 미세 피치 플립칩접속이 가능하다. 둘째, 실리콘 칩의 금속 배선의 두께는 매우 얇기 때문에 금속 배선 주위의 높은 전류 밀도의 집중으로 인해 종래의 솔더 조인트에서 문제시되는 Electromigration 신뢰성 저하 현상을 두꺼 운 Cu 칼럼을 사용함으로써 개선할 수 있다. 마지 막으로, Cu 칼럼의 높이를 용이 하게 조절함으로써, 열주기 신뢰성과 같은 열기계적 변형이 반복되는 환경에서 우수한 플립칩 신뢰성을 기대할 수 있다.
한편, 플립칩 조인트에 장시간 동안 전류가 가해졌을 때 온도에 의한 확산 외에 전자의 움직임즉 전기적 포텐셜의 차이에 의한 확산이 플립칩 조인트의 계면 현상 및 조인트 신뢰성에 영향을 주게 된다. 따라서 이를 평가하기 위해 0.8A의 전류(6.37xl04A/cm2의 전류밀도), 150℃의 온도에서 electromigration 시험을 수행한 결과, 약 600시간이 지났음에도 저항의 변화는 관찰되지 않았다. 즉, Cu/Sn厶g 더블 범프 플립칩은 매우 우수한 electromigration 신뢰성을 보여준다.
Cu 칼럼 과 SnAg 솔더 계면에서는 Cu6Sn5 금속 간 화합물이 주로 생성 되며, PCB 기판의 Ni/Au 패드 위에는 Ni3Sn4 및 (Cu, Ni)6Sn5 금속 간 화합물이 생성된다. 또한 reflow 횟수 및 온도가 증가할수록 계면에서 형성되는 금속간 화합물의 두께는 증가하며 , 28OC에서 5회 耸flow 후의 경우 대부분의 SnAg 솔더가 소모됨을 알 수 있었다. Fig.
이때 SnAg 솔더는 300시간 이후 Cu칼럼과 모두 반응하여 금속간 화합물을 형성함으로써 더 이상 Sn의 녹음이나 금속층의 소모로 인한 electromigration 불량이 발생할 수 없음을 알 수 있었다. 마지막으로, 열기계적 신뢰성 평가인 열주기 시험에서는 칩의 중앙으로부터 떨어질수록 빠르게 더블범프의 접속 저항이 증가함으로써 불량이 발생하였다. 이때 파괴 형태는 Si 칩과 Cu 칼럼 사이에 작용하는 압축응력 에 의해 A1 및 Ti 패드 충이범프 바깥쪽으로 밀려 남으로써 발생 하였다.
플립칩 패키지는 열주기 시험 동안에 저온과 고온 영역을 반복적으로 거치면서 칩과 기판의 열팽창 계수 차이에 의한 열기계적 변형을 거치게 되는데, 이 과정에서 플립칩 조인트는 칩과 기판 간의 접속을 유지하기 위해 소성 응력 및 소성 변형이 가해지게 된다. 본 연구에서 제안된 테스트 칩 구조에 대해 범프가 가장 많이 배열된 칩의 가운데 부분을 2차원적으로 잘라 유한 요소 해석을 한 결과, 열주기 시험 하에서 소성 응력이 가장 많이 작용하는 부분은 칩과 언더필 계면이며, 다음으로 Si 칩과 Cu 칼럼 계면으로 나타났다. 이때, 접속 불량에 유효한 영향을 줄 수 있는 부분 Si 칩/Cu 칼럼 계면이 되고, 따라서 실제 열주기 시험하에서 불량이 발생할 수 있는 가장 주요한 위치로 작용한다.
테스트 결과, 약 400 cycle부터 접속 저항의 증가가 나타나며, 1000 cycle 이후에는 약 40%의 범프가 100 m£2 이상의 접속 저항을 갖는 것으로 나타났다. 위치에 따른 접속 저항증가의 경향을 살펴보면, 칩의 가장자리에 위치한 범프의 경우 접속 저항 증가가 가장 빠르게 나타났다. 그러나 칩의 가장자리에 위치한 범프는 플립 칩 본딩을 위한 더미 범 프 (dummy bump) 로서, 실제 메모리 칩의 구동에는 영향을 미치지 않는 위치이다.
먼저 열적 신뢰성을 평가하기 위해, multiple reflow와 고온 유지시험 (HTS: therm시 aging)을 통해 종래의 솔더플립칩에 비해 솔더의 양이 현저히 낮은 더블 범프 구조의 계면 현상을 관찰하고, 열처리 동안의 접속 저항의 변화를 측정하였다. 이 결과, 솔더의 양이 적음에도 불구하고 솔더의 소모에 의한 접속 저항 증가는 나타나지 않았으나, i5(rc에서의 고온 유지시험의 경우, Cu 칼럼과 SnAg 솔더 계면에서 과도한 양의 Kirkendall void의 생성으로 인해 접속 저항의 증가가 일부 나타났다. 한편, 열적, 전기적 신뢰성 중의 하나인 Electromigration 신뢰성 시험에서는 약 600시간 후에도 접속 저항의 증가는 나타나지 않았으며 이는 충분한 양의 Cu 칼럼 두께로 인해 솔더영역에서의 전류 밀도가 A1 배선에서의 전류 집중 (current crowding)을완화하기 때문이다.
9에 나타난 단면 관찰 및 초음파 검사 (SAM)를 통한 파괴 분석을 통해 알 수 있다. 즉, 칩의 중앙에 위치한 범프는 Si 칩과 Cu 칼럼 사이의 A1 및 Ti와 같은 seed 층이 초기 상태를 유지 하는 데 반해, 접속 저항이 증가하여 불량이 발생한범프의 경우, Si 칩과 Cu 칼럼 사이의 A1 및 Ti 층이 물리적 손상이 가해진 것을 알 수 있으며, Cu 칼럼의 계면 또한 열적 피로 현상에 의해 거친 표면을 갖는 것을 알 수 있다. Fig.
Cu 칼럼을 사용한 Cu/SnAg 더블 범 프 구조의 장점은 크게 3가지로 요약할 수 있다. 첫째, 두꺼운 Cu 칼럼의 높은 녹는점과 SnAg 솔더 범프의 제한된 부피를 가짐으로써 100um 이하의 미세 피치 플립칩접속이 가능하다. 둘째, 실리콘 칩의 금속 배선의 두께는 매우 얇기 때문에 금속 배선 주위의 높은 전류 밀도의 집중으로 인해 종래의 솔더 조인트에서 문제시되는 Electromigration 신뢰성 저하 현상을 두꺼 운 Cu 칼럼을 사용함으로써 개선할 수 있다.
8은 열주기 시험 동안의 Cu/SnAg 더블 범프의 접속 저항 변화를 보여준다. 테스트 결과, 약 400 cycle부터 접속 저항의 증가가 나타나며, 1000 cycle 이후에는 약 40%의 범프가 100 m£2 이상의 접속 저항을 갖는 것으로 나타났다. 위치에 따른 접속 저항증가의 경향을 살펴보면, 칩의 가장자리에 위치한 범프의 경우 접속 저항 증가가 가장 빠르게 나타났다.
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