차세대 패키징 기술을 실현하기 위해서는 극복해야 할 기술적인 과제들이 많이 존재한다. 그 중에서 솔더 접합부의 EM에 의한 고장은 오랜전부터 알려진 과제이지만, 고밀도화, 파인핏치화, 발열문제가 심각해지면서 현실적인 문제로 인식되기 시작했다. 더욱이 솔더가 무연화 되면서 다양해진 구성원소들의 영향에 대한 연구가 시작되었다. 지금까지의 연구결과를 종합해보면 Sn-Pb 공정솔더 보다 무연솔더는 EM에 대한 저항성이 강한 것으로 보여진다. 하지만, 무연솔더 접합부에서 발생하는 EM현상에 대해서는 아직 밝혀지지 않은 부분이 많다. 보이드의 핵 생성 및 성장속도와 전기저항의 급격한 변화와의 관계, Sn 결정립의 방향과 전류밀도에 따른 마이그레이션 속도계수와 수명예측기술, 각종 무연솔더와 시험조건에서의 언더필의 효과 등에 관한 다양한 연구가 필요하다. 또한 무연 플립칩 패키지의 총체적인 신뢰성 확보를 위해, EM과 반도체칩 내부배선의 발열에 기인하는 Thermomigraton, 응력에 기인하는 Stress-migration과의 상관관계에 대한 연구도 요구된다.
차세대 패키징 기술을 실현하기 위해서는 극복해야 할 기술적인 과제들이 많이 존재한다. 그 중에서 솔더 접합부의 EM에 의한 고장은 오랜전부터 알려진 과제이지만, 고밀도화, 파인핏치화, 발열문제가 심각해지면서 현실적인 문제로 인식되기 시작했다. 더욱이 솔더가 무연화 되면서 다양해진 구성원소들의 영향에 대한 연구가 시작되었다. 지금까지의 연구결과를 종합해보면 Sn-Pb 공정솔더 보다 무연솔더는 EM에 대한 저항성이 강한 것으로 보여진다. 하지만, 무연솔더 접합부에서 발생하는 EM현상에 대해서는 아직 밝혀지지 않은 부분이 많다. 보이드의 핵 생성 및 성장속도와 전기저항의 급격한 변화와의 관계, Sn 결정립의 방향과 전류밀도에 따른 마이그레이션 속도계수와 수명예측기술, 각종 무연솔더와 시험조건에서의 언더필의 효과 등에 관한 다양한 연구가 필요하다. 또한 무연 플립칩 패키지의 총체적인 신뢰성 확보를 위해, EM과 반도체칩 내부배선의 발열에 기인하는 Thermomigraton, 응력에 기인하는 Stress-migration과의 상관관계에 대한 연구도 요구된다.
The electromigration phenomenon in lead-free flip-chip solder joint has been one of the serious problems. To understand the mechanism of this phenomenon, the crystallographic orientation of Sn grain in the Sn-Ag-Cu solder bump has been analyzed. Different time to failure and different microstructura...
The electromigration phenomenon in lead-free flip-chip solder joint has been one of the serious problems. To understand the mechanism of this phenomenon, the crystallographic orientation of Sn grain in the Sn-Ag-Cu solder bump has been analyzed. Different time to failure and different microstructural changes were observed in the all test vehicle and bumps, respectively. Fast failure and serious dissolution of Cu electrode was observed when the c-axis of Sn grain parallel to electron flow. On the contrary of this, slight microstructural changes were observed when the c-axis of Sn perpendicular to electron flow. In addition, underfill could enhance the electromigration reliability to prevent the deformation of solder bump during EM test.
The electromigration phenomenon in lead-free flip-chip solder joint has been one of the serious problems. To understand the mechanism of this phenomenon, the crystallographic orientation of Sn grain in the Sn-Ag-Cu solder bump has been analyzed. Different time to failure and different microstructural changes were observed in the all test vehicle and bumps, respectively. Fast failure and serious dissolution of Cu electrode was observed when the c-axis of Sn grain parallel to electron flow. On the contrary of this, slight microstructural changes were observed when the c-axis of Sn perpendicular to electron flow. In addition, underfill could enhance the electromigration reliability to prevent the deformation of solder bump during EM test.
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문제 정의
최근에는 무연솔더의 도입으로 접합재료 선택의 폭이 넓어지고, 구성원소가 복잡해지면서 다양한 연구결과가 보고되고 있다. 본고에서는 EM현상의 원인과 특징, 그리고 무연솔더 접합부에서 발생하는 EM현상에 대해 저자들의 연구결과를 중심으로 설명하고자 한다.
가설 설정
35) Ag 첨가는 Ag3Sn금속간화합물을 형성해 솔더 내부에서 부분적으로 Bi의 마이그레이션을 억제할 수는 있지만 거시적인 EM현상에는 영향이 적다.36) Cu 첨가는 솔더 내부에 Cu6Sn5을 형성하고 결정립을 미세화한다. 이로인해 Bi원자 혹은 Sn원자의 이동이 빨라져 EM신뢰성을 오히려 낮추는 경향이 있다.
49) 단선의 원인은 cathode측의 솔더/계면화합물 계면에서의 보이드 생성이다. 순수 In의 경우는 언더필을 사용하지 않을 경우 mean time to failure가 약 70시간이지만, In bump의 변형을 방지할 수 있는 언더필을 사용한 경우 약 720시간으로 EM에 대한 신뢰성이 좋아지는 경향을 보였다.
제안 방법
Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu 솔더볼과 Cu-OSP배선의 더미 플립칩 패키지 시편을 이용하여 Sn의 결정립 방향과 전류방향의 상관관계가 EM에 미치는 영향을 살펴보았다. Fig.
고장도 시간의 차이를 규명하기 위해 먼저, 각 시편의 단면을 살펴보았다 (Fig. 6, Fig. 7). 언더필이 없는 시편의 bump A와 bump B 는 극명히 다른 미세조직을 가지고 있음을 알 수 있다.
단면관찰을 통해, 계면화합물의 성장, 결함, 변형의 정도가 bump마다 다름을 알 수 있었다. 그 원인을 규명하기 위해 bump의 Sn결정방위와 전자의 흐름과의 관계를 살펴보았다.
대상 데이터
EM 시험은 비교적 전류밀도가 높은 상태인 15 kA/cm2, 160℃의 조건으로 진행하였다. 열응력에 의한 마이그레이션 효과와 솔더볼의 변형을 억제하기 위해, 더미칩은 기판과 같은 재료 (FR4, Printed Circuit Board)를 사용했다.
성능/효과
에 Sn 결정을 각각 다른 축방향에서 관찰한 모식도를 나타냈다. a, b축에 비해 c축 방향이 침입형 확산이 일어날 수 있는 공간이 크다는 것을 알 수 있다.13) 따라서, Au, Ni, Cu등의 원자는 Sn 내부에서 각 축의 방향에 따라 확산속도에서 큰 차이를 보이며, 특히 UBM (Under Bump Metallization) 층에 많이 사용되는 Cu의 경우 상온에서 c축 방향의 확산속도는 a, b축에 비해 그 속도가 약 500배 이상 빠르다고 알려져있다.
JEDEC규격52)에 의하면 플립칩 접합부에서 EM에 의한 고장은 전기저항치가 초기 저항치에 비해 약 20 퍼센트 증가한 시점으로 정의하고 있어, 본 실험에서도 동일한 룰을 적용했다. 각 시편의 전기저항은 초기치보다 5% 정도 상승한 시점까지 서서히 증가하는 경향을 보였다. 그 원인에 대해서는 보이드의 형성, 크랙 및 금속간화합물의 성장, 동배선의 산화25) 등이 제기되고 있지만 아직 확실한 메카니즘은 밝혀지지 않고 있다.
이들 금속간화합물은 Cu쪽에서부터 Cu3Sn, Cu6Sn5 상으로 구성되어 있다. 다음으로 결함형성의 정도를 살펴보면, bump A의 경우 cathode측의 전류밀도가 높은 영역에서 비교적 작은 결함이 나타난 반면에 bump B에서는 cathode측 전극이 거의 소실되었다. 따라서, 고장은 bump B에서 발생했음을 알 수 있다.
특히, In과 같이 연성이 큰 재료를 bump로 사용할 경우에는 언더필 효과로 수명이 7배 이상 늘어나지만, 전류밀도가 20 kA/cm2 이상에서는 효과가 적다는 보고가 있어,51) 향후 솔더 종류에 따른 언더필의 효과에 대한 자세한 연구가 필요하다. 단면관찰을 통해, 계면화합물의 성장, 결함, 변형의 정도가 bump마다 다름을 알 수 있었다. 그 원인을 규명하기 위해 bump의 Sn결정방위와 전자의 흐름과의 관계를 살펴보았다.
이들 이외의 다른 bump에서도 미세조직의 차이가 발견되었다. 먼저, 솔더/Cu전극 계면에 형성된 금속간화합물을 살펴보면, bump A의 경우, anode쪽의 계면화합물이 cathode쪽 보다 다소 크게 성장했으나, bump B의 경우에는 anode측의 계면화합물이 솔더볼의 절반 이상을 차지하고 있음을 알 수 있다. 이들 금속간화합물은 Cu쪽에서부터 Cu3Sn, Cu6Sn5 상으로 구성되어 있다.
49) 단선의 원인은 cathode측의 솔더/계면화합물 계면에서의 보이드 생성이다. 순수 In의 경우는 언더필을 사용하지 않을 경우 mean time to failure가 약 70시간이지만, In bump의 변형을 방지할 수 있는 언더필을 사용한 경우 약 720시간으로 EM에 대한 신뢰성이 좋아지는 경향을 보였다.50, 51)
더욱이 솔더가 무연화 되면서 다양해진 구성원소들의 영향에 대한 연구가 시작되었다. 지금까지의 연구결과를 종합해보면 Sn-Pb 공정솔더 보다 무연솔더는 EM에 대한 저항성이 강한 것으로 보여진다. 하지만, 무연솔더 접합부에서 발생하는 EM현상에 대해서는아직 밝혀지지 않은 부분이 많다.
후속연구
또한 무연 플립칩 패키지의 총체적인 신뢰성 확보를 위해, EM과 반도체칩 내부배선의 발열에 기인하는 Thermomigraton, 응력에 기인하는 Stress-migration과의 상관관계에 대한 연구도 요구된다.
하지만, 무연솔더 접합부에서 발생하는 EM현상에 대해서는아직 밝혀지지 않은 부분이 많다. 보이드의 핵 생성 및 성장속도와 전기저항의 급격한 변화와의 관계, Sn 결정립의 방향과 전류밀도에 따른 마이그레이션 속도계수와 수명예측 기술, 각종 무연솔더와 시험조건에서의 언더필의 효과 등에 관한 다양한 연구가 필요하다.
언더필의 사용은 솔더bump의 변형을 최소한 할 수 있고, 언더필을 사용하지 않은 경우보다 2배이상의 긴 수명을 보인다. 특히, In과 같이 연성이 큰 재료를 bump로 사용할 경우에는 언더필 효과로 수명이 7배 이상 늘어나지만, 전류밀도가 20 kA/cm2 이상에서는 효과가 적다는 보고가 있어,51) 향후 솔더 종류에 따른 언더필의 효과에 대한 자세한 연구가 필요하다. 단면관찰을 통해, 계면화합물의 성장, 결함, 변형의 정도가 bump마다 다름을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
EM은 어떻게 칩 내부에서 단선을 발생시키는가?
Fig. 1에 나타낸 것과 같이, 온도가 상승하여 열적으로 활성화된 배선부 혹은 솔더범프의 금속원자는 전자의 강한 흐름 (wind라고 표현한)이 발생하면 이것이 구동력이 되어 같은 방향으로 이동하게 된다 (검은 색의 원자가 electron wind에 의해 공공으로 확산). 그 결과 cathode측에서는 원자의 확산에 의해 격자에 공공이 발생하고, 이것이 집적된 보이드의 형성, 성장으로 인해 단선 고장에 이르게 되고, anode측에서는 금속간화합물이 크게 성장하게 된다. 실제 플립칩 패키지에서의 단선 고장은 EM 뿐만 아니라 열에 의한 확산, 온도구배에 의한 확산, 응력에 의한 확산이 복잡하게 작용하여 발생한다.
EM이 쉽게 발생하는 조건은 무엇인가?
Electro-migration (EM)은 반도체배선의 심각한 결함 중에 하나로 메카니즘의 해명, 대책에 관한 연구가 최근에도 보고되고 있다. 플립칩 접합부의 미세화가 진행되면서 배선에 흐르는 전류치도 크게 상승하여104 A/cm2 이상으로 전류밀도가 상승할 것으로 예상되고 있다. 이런 환경에서 반도체 내부배선의 발열에 의해 플립칩 접합부의 온도가 상승하면 EM이 쉽게 발생한다.1-6) EM은 electron wind에 기인하는 것으로 알려져 있다.
솔더 접합부의 EM에 의한 고장이 현실적인 문제로 인식된 이유는 무엇인가?
차세대 패키징 기술을 실현하기 위해서는 극복해야 할 기술적인 과제들이 많이 존재한다. 그중에서 솔더 접합부의 EM에 의한 고장은 오랜전부터 알려진 과제이지만, 고밀도화, 파인핏치화, 발열문제가 심각해지면서 현실적인 문제로 인식되기 시작했다. 더욱이 솔더가 무연화 되면서 다양해진 구성원소들의 영향에 대한 연구가 시작되었다.
참고문헌 (54)
K. Suganuma, "Reliability of lead-free soldering for beginners (in Japanese)", Kougyou-Chousakai Publishing, Inc., 2005.
Y. Tsukada, "Challenge of Promising Technologies for the Next Generation Packaging (in Japanese)", J. Japan Institute of Electronics Packaging, 13(5), 319 (2010).
Y. Chan, D. Yang, "Failure mechanisms of solder interconnects under current stressing in advanced electronic packages", Progress in Materials Science, 55(5), 428 (2010).
A. Telang, T. Bieler, "Characterization of microstructure and crystal orientation of the tin phase in single shear lap Sn-3.5 Ag solder joint specimens", Scr. Mater., 52(10), 1027 (2005).
H. Huntington, "The elastic constants of crystals", Solid state physics, 7, 213 (1958).
D. House, E. Vernon, "Determination of the elastic moduli of tin single crystals, and their variation with temperature", British Journal of Applied Physics, 11(6), 254 (1960).
T. Bieler, H. Jiang, L. Lehman, T. Kirkpatrick, E. Cotts, B. Nandagopal, "Influence of Sn grain size and orientation on the thermomechanical response and reliability of Pb-free solder joints", IEEE T. Compon. Pack. T., 31(2), 370 (2008).
V. T. Deshpande, and D. B. Sirdeshmukh, "Thermal expansion of tetragonal tin", Acta Crystallohr., 14(4), 355 (1961), from http://www.webelements.com/tin/crystal_structure.html
F.V. Burckbuchler, C.A. Reynolds, "Anisotropy of the residual resistivity of tin with Sb, In, Zn, and Cd impurities, and the ideal resistivities and deviations from Matthiessen's rule at 77 and 273K", Phys. Rev., 175(2), 550 (1968).
M. Lu, D. Shih, P. Lauro, C. Goldsmith, D. Henderson, "Effect of Sn grain orientation on electromigration degradation mechanism in high Sn-based Pb-free solders", Appl. Phys. Lett., 92(21), 211909 (2008).
S. Ha, J. Kim, J. Yoon, S. Ha, S. Jung, "Electromigration behavior in Sn-37Pb and Sn-3.0 Ag-0.5 Cu flip-chip solder joints under high current density", J. Electron. Mater., 38(1), 70 (2009).
T. Lee, K. Tu, D. Frear, "Electromigration of eutectic SnPb and SnAg3.8Cu0.7 flip chip solder bumps and under-bump metallization", J. Appl. Phys., 90(9), 4502 (2001).
S.H. Kim, J.H. Choi, T.S. Oh, "Electromigration Behavior in the 62Pb-27Sn Solder Strip (in Korean)", J. Microelectron. Packag. Soc., 11(2), 53 (2004).
Chiu, C. Chen, "Investigation of void nucleation and propagation during electromigration of flip-chip solder joints using x-ray microscopy", Appl. Phys. Lett., 89(26), 262106 (2006).
Y. Chang, S. Liang, C. Chen, "Study of void formation due to electromigration in flip-chip solder joints using Kelvin bump probes", Appl. Phys. Lett., 89(3), 032103 (2006).
E. Yeh, W. Choi, K. Tu, P. Elenius, H. Balkan, "Currentcrowding-induced electromigration failure in flip chip solder joints", Appl. Phys. Lett., 80(4), 580 (2002).
W. Choi, E. Yeh, K. Tu, "Mean-time-to-failure study of flip chip solder joints on Cu/Ni (V)/Al thin-film under-bump-metallization", J. Appl. Phys., 94(9), 5665 (2003).
Y. Hu, Y. Lin, C. Kao, K. Tu, "Electromigration failure in flip chip solder joints due to rapid dissolution of copper", J. Mater. Res., 18(11), 2544 (2003).
Y. Lai, K. Chen, C. Kao, C. Lee, Y. Chiu, "Electromigration of Sn-37Pb and Sn-3Ag-1.5 Cu/Sn-3Ag-0.5 Cu composite flip-chip solder bumps with Ti/Ni (V)/Cu under bump metallurgy", Microelectron. Reliab., 47(8), 1273 (2007).
J. Nah, F. Ren, K. Tu, S. Venk, G. Camara, "Electromigration in Pb-free flip chip solder joints on flexible substrates", J. Appl. Phys., 99(2), 023520 (2006).
T. Chiu, K. Lin, "The difference in the types of intermetallic compound formed between the cathode and anode of an Sn-Ag-Cu solder joint under current stressing", Intermetallics, 17(12), 1105 (2009).
J.H. Chio, S.W. Jun, H.J. Won, B.Y. Jung, T.S. Oh, "Electromigration behavior of the flip-chip bonded Sn-3.5Ag-0.5Cu solder bumps (in Korean)", J. Microelectron. Packag. Soc., 11(4), 43 (2004)
A. Telang, T. Bieler, J. Lucas, K. Subramanian, L. Lehman, Y. Xing, E. Cotts, "Grain-boundary character and grain growth in bulk tin and bulk lead-free solder alloys", J. Electron. Mater., 33(12), 1412 (2004).
C. Chen, C. Huang, C. Liao, K. Liou, "Effects of copper doping on microstructural evolution in eutectic SnBi solder stripes under annealing and current stressing", J. Electron. Mater., 36(7), 760 (2007).
H. He, G. Xu, F. Guo, "Effect of small amount of rare earth addition on electromigration in eutectic SnBi solder reaction couple", J. Mater. Sci., 44(8), 2089 (2009).
K. Yamanaka, Y. Tsukada, K. Suganuma, "Studies on solder bump electromigration in Cu/Sn-3Ag-0.5Cu/Cu system", Microelectron. Reliab., 47(8), 1280 (2007).
W. Zhou, L. Liu, B. Li, P. Wu, "Effect of intermetallic on electromigration and atomic diffusion in Cu/SnAg 3.0 Cu 0.5/Cu joints: Experimental and first-principles study", J. Electron. Mater., 38(6), 866 (2009).
K. Lee, K.S. Kim, K. Yamanaka, Y. Tsukada, S. Kuritani, M. Ueshima, K. Suganuma, "Effects of crystallographic orientation of Sn on electromigration behavior", IMAPS-43rd International Symposium on Microelectronics, 792 (2010).
K. Lee, K.S. Kim, K. Yamanaka, Y. Tsukada, S. Kuritani, M. Ueshima, K. Suganuma, "Effects of the crystallographic orientation of Sn grain during electromigration test", IEEE CPMT Workshop in Japan, 65 (2010).
K. Lee, K.S. Kim, K. Yamanaka, Y. Tsukada, S. Kuritani, M. Ueshima, K. Suganuma, "Effects of the crystallographic orientation of Sn on the electromigration of Cu/Sn-Ag-Cu/Cu ball joints", J. Mater. Res., (2011). (in press)
S. Kuo, K. Lin, "The hillock formation in a Cu/Sn-9Zn/Cu lamella upon current stressing", J. Electron. Mater., 36(10), 1378 (2007).
C. Chen, Y. Hung, C. Lin, W. Su, "Effect of temperature on microstructural changes of the Sn-9 wt%Zn lead-free solder stripe under current stressing", Mater. Chem. Phys., 115(1), 367 (2009).
J. Daghfal, J. Shang, "Current-induced phase partitioning in eutectic indium-tin Pb-free solder interconnect", J. Electron. Mater., 36(10), 1372 (2007).
A.T. Wu, Y.C. Hsieh, "Direct observation and kinetic analysis of grain rotation in anisotropic tin under electromigration", Appl. Phys. Lett., 92(12), 121921 (2008).
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