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문제 정의
- 본 연구에서는 Cu pillar 범프를 사용하여 형성한 플립칩 접속부의 신뢰성을 분석하기 위해 Fig. 1과 같이 Cu pillar 범프와 Sn 패드로 구성된 플립칩 접속부를 형성한 후, Sn 패드의 높이에 따른 플립칩 접속부의 열 싸이클링 특성과 고온유지 안정성을 분석하였다.
제안 방법
- 10) 높이 5 µm의 Sn 범프를 사용하여 형성한 Cu pillar 플립칩 접속부의 경우에는 열 싸이클링 회수가 증가함에 따라 접속저항이 감소하였는데, 이에 대한 이유를 규명하기 위해 향후 열 싸이클링 회수에 따른 플립칩 접속부의 미세구조를 분석하고자 한다.
- Cu pillar 범프 플립칩 접속부의 신뢰성을 평가하기 위한 방안으로 열 싸이클링 시험과 고온유지 실험을 하였다. 열 싸이클링 시험을 위해 Fig.
- Cu pillar 범프가 형성된 칩 시편을 제작하기 위해 Si 웨이퍼에 접착층으로서 0.1 µm의 Ti을 스퍼터 증착 후, 그 위에 범프 접속저항 측정을 위한 배선층으로 2 µm 두께의 Cu를 스퍼터 증착하였으며 다시 그 위에 솔더 마스크의 용도로 0.1 µm 두께의 Ti를 스퍼터링하여 Ti/Cu/Ti metallization을 형성하였다.
- 3에 나타낸 모식도와 같이 -40℃와 125℃에서 각기 15분씩 유지되어 1회의 싸이클에 30분이 소요되는 열 싸이클을 최대 1000회까지 시편에 인가한 후, 열 싸이클링 회수에 따른 Cu pillar 플립칩 접속부의 접속저항과 파괴 전단력의 변화거동을 분석하였다. Cu pillar 플립칩 접속부의 고온유지 안정성을 평가하기 위해 시편을 125℃로 유지된 furnace에서 장입하고 최대 1000시간까지 유지한 후, 유지시간에 따른 접속저항과 파괴 전단력의 변화거동을 분석하였다.
- Ni UBM을 형성한 시편을 세척 후, 상용 Sn 도금액에 장입하고 10 mA/cm2의 전류밀도를 인가하여 포토레지트 패턴의 Ni UBM상에 25 µm 직경에 5~30 µm 높이를 갖는 Sn 패드들을 전기도금하였다.
- 7. Scanning electron micrographs of the substrate sides of the Cu pillar flip-chip-joints after chip shear tests. (a) before thermal cycling test, Sn pad height: 5 µm, (b) after thermal cycling test for 1000 times, Sn pad height: 5 µm, (c) before thermal cycling test, Sn pad height: 30 µm, (d) after thermal cycling test for 1000 times, Sn pad height: 30 µm.
- Sn 패드가 형성되어 있는 기판 시편을 제작하기 위해 p형 Si 웨이퍼에 0.1 µm 두께의 Ti, 2 µm 두께의 Cu 및 0.1 µm 두께의 Ti를 순차적으로 스퍼터링하여 Ti/Cu/Ti metallization을 형성하였다.
- 1 µm 두께의 Ti를 순차적으로 스퍼터링하여 Ti/Cu/Ti metallization을 형성하였다. Ti/Cu/Ti metallization에 AZ4620 포토레지스트를 사용하여 Sn 패드 형성용 포토레지스트 패턴을 제작한 후, 포토레지스트 패턴 내 Ti/Cu/Ti metallization의 맨 위 Ti 층을 에칭하여 제거하였다. 이와 같은 기판 시편을 Ni 도금용액에 장입하고 5 mA/cm2의 도금밀도를 인가하여 2 µm 높이의 Ni UBM 층을 형성하였다.
- 미세 솔더범프를 사용한 플립칩 공정의 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 최근 Cu pillar 범프를 사용한 플립칩 공정이 제안되었다.1,8-12) 솔더범프를 사용한 플립칩 기술과 비교하여, Cu pillar 범프를 사용한 플립칩 공정은 칩과 기판 사이의 거리를 감소시키지 않으면서도 훨씬 미세한 칩 접속이 가능하다는 장점이 있다.
- Cu pillar 범프 플립칩 접속부의 신뢰성을 평가하기 위한 방안으로 열 싸이클링 시험과 고온유지 실험을 하였다. 열 싸이클링 시험을 위해 Fig. 3에 나타낸 모식도와 같이 -40℃와 125℃에서 각기 15분씩 유지되어 1회의 싸이클에 30분이 소요되는 열 싸이클을 최대 1000회까지 시편에 인가한 후, 열 싸이클링 회수에 따른 Cu pillar 플립칩 접속부의 접속저항과 파괴 전단력의 변화거동을 분석하였다. Cu pillar 플립칩 접속부의 고온유지 안정성을 평가하기 위해 시편을 125℃로 유지된 furnace에서 장입하고 최대 1000시간까지 유지한 후, 유지시간에 따른 접속저항과 파괴 전단력의 변화거동을 분석하였다.
- 1 µm 두께의 Ti를 스퍼터링하여 Ti/Cu/Ti metallization을 형성하였다. 이와 같은 Ti/Cu/Ti metallization에 AZ4620 포토레지스트를 도포하고 접촉식 마스크 얼라이너를 사용하여 Cu pillar 범프 형성용 포토레지스트 패턴을 제작한 후, Cu pillar 범프의 도금공정을 위해 포토레지스트 패턴 내 Ti/Cu/Ti metallization의 맨 위 Ti 층을 에칭하여 제거하였다. 이와 같은 칩 시편을 62.
- 2에 daisy chain 시편 제작에 사용된 칩과 기판의 배선 구조를 나타내었다. 이와 같은 daisy chain 시편에 대해 접속부의 개수에 따른 저항을 four point probe로 측정하여 Cu pillar 범프 플립칩 접속부의 접속저항을 분석하였으며, 칩 전단시험을 사용하여 플립칩 접속부의 파단에 요구되는 전단력을 측정하였다.12)
- 칩 시편의 Cu pillar 범프들을 기판의 Sn 패드들에 플립칩 배열한 후 1N의 접속하중을 인가하면서 250℃에서 1분간 유지하여 Sn 패드를 리플로우 함으로써, 256개의 Cu pillar 플립칩 접속부로 구성된 접속저항 측정용 daisy chain 시편을 제작하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 플립칩 접속부를 구성하는 Sn 패드의 높이가 5 µm에서 30 µm로 증가함에 따라 Cu pillar 플립칩 접속부의 접속저항이 31.7 mΩ에서 13.8 mΩ로 감소하였다.
- (2) 높이 5 µm 및 20 µm의 Sn 패드를 사용하여 형성한 플립칩 접속부에서는 1000회의 열 싸이클링 시험 전후에 거의 유사한 파괴 전단력을 나타내었으며, 동일한 전단 파괴모드가 관찰되었다.
- (3) 125℃에서 유지시간이 증가함에 따라 Cu pillar 플립칩 접속부의 접속저항이 증가하는 경향을 나타내었으나, 그 증가 정도는 20% 이하이었다. 높이 30 µm의 Sn 범프를 사용하여 구성한 플립칩 접속부에서는 125℃에서 1000시간 유지 후에도 15 mΩ의 낮은 접속저항 값을 나타내었다.
- (4) 플립칩 접속부를 구성하는 Sn 패드의 높이에 무관하게 125℃에서 1000시간 유지함에 따라 Cu pillar 플립칩 접속부의 파괴 전단력이 감소하였다.
- Cu pillar 범프를 사용한 플립칩 공정은 미세피치화가 가능하면서도 칩과 기판 사이의 거리를 감소시키지 않기 때문에, RF 패키지의 성능 향상을 이루는 것이 가능하게 된다.1,12) Cu pillar 범프를 사용한 플립칩 접속부를 휴대형 전자기기 등에 적용하기 위해서는 Cu pillar 범프 플립칩 접속부의 전기적 특성과 기계적 특성이 우수하여야 할 뿐만 아니라 이들 특성의 장시간 신뢰성이 확보되어야 한다.
- 12) Fig. 5와 같이 높이 5 µm의 Sn 패드를 사용하여 구성한 플립칩 시편을 제외한 다른 시편들에서는 열 싸이클링 회수가 증가함에 따라 플립칩 접속부의 접속저항이 약간 증가하는 경향을 나타내었다.
- 그러나 플립칩 공정에 미세 솔더범프를 사용함에 따라 칩과 기판 사이의 거리가 감소되어 언더필 공정이 어려워지는 문제점이 유발될 수 있다.8) 또한 솔더범프 크기가 감소함에 따라 범프 접속부당 전류밀도와 열에너지 밀도가 증가하여, 플립칩 솔더 접속부의 신뢰도가 감소할 수 있다.9) 이외에도 솔더범프의 미세 피치화에 기인하여 솔더 리플로우시 이웃 솔더범프 사이에 솔더 bridging이 용이하게 발생할 수 있는 문제점이 있다.
- 높이 5~20 µm의 Sn 패드를 사용하여 형성한 플립칩 접속부에서는 파괴 전단력이 크게 변하지 않는 경향을 나타내었던 열 싸이클링 시험 결과(Fig. 6)와는 달리 고온 유지시험에 의해 이들 시편에서도 파괴 전단력이 감소하는 이유로는 두 신뢰도 시험에서 발생하는 125℃에서의 노출시간의 차이에 기인하는 것으로 판단된다.
- 반면에 높이 30 µm의 Sn 패드로 형성한 플립칩 접속부에서는 1000회의 열 싸이클링 시험 후에 의해 파괴 전단력이 6.8 N에서 5.6 N으로 감소하였으며, 열 싸이클링 시험에 의한 전단 파괴모드의 변화가 관찰되었다.
- 9에 125℃에서 1000시간 유지시험 전후에 측정한 Cu pillar 플립칩 접속부의 파괴 전단력을 Sn 패드 높이의 함수로 나타내었다. 플립칩 접속부를 구성하는 Sn 범프의 높이에 무관하게 모든 시편들에서 125℃에서 1000시간 유지함에 따라 파괴 전단력이 감소하였다. 높이 5~20 µm의 Sn 패드를 사용하여 형성한 플립칩 접속부에서는 파괴 전단력이 크게 변하지 않는 경향을 나타내었던 열 싸이클링 시험 결과(Fig.
- 플립칩 접속부를 구성하는 Sn 패드의 높이가 5 µm에서 30 µm으로 증가함에 따라 Cu pillar 플립칩 접속부의 파괴 전단력이 증가하는 경향을 나타내었다.
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