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가설 설정
- Ag 에폭시를 사용한 와이어 본딩과 동일한 구조의 경우에는 접촉 저항을 0 ℃/W로 전사 모사한 것은 실측 접촉 저항의 부재로 가정한 값이다. Alumina I과 Alumina II사이에 사용된 Ag 에폭시의 경우에도 접촉저항을 0 ℃/W으로 가정하였다. 이의 가정 근거는 Ag 에폭시가 Ag 분말과 에폭시의 혼합체로 존재하며, 액상 에폭시와 소자 또는 알루미나와 접촉저항이 Au 스터드의 고체간 확산에 의한 접촉 저항에 비해 현저히 낮다고 추정할 수 있기 때문이다.
- 전사모사에 사용된 소프트웨어는 앤시스 사의 워크벤치를 이용한 삼차원 시뮬레이션으로 전사모사하였으며, Table 1에 나타낸 재료의 물성을 이용하였다. 경계 조건은 방열판을 25℃로 하였고 공기의 대류에 의한 열 손실은 열 전도에 의한 열 손실에 비해 매우 작다고 가정하여 전사 모사를 시행하였다.
제안 방법
- 본 실험에서는 히터를 포함한 소자를 이용하여 Ag 페이스트로 접속된 와이어본딩된 소자의 온도와 Au SBB를 이용한 플립칩 소자의 열 성능을 비교하고, 기판에 따른 접촉저항을 전사모사를 통하여 체계적으로 관찰하였다.
- 소자에 사용되는 Au 스터드 본딩의 조건을 확립하여 소자를 Au 금속이 있는 알루미나 기판과 연결하였다. 기판에 연결시 기판의 온도를 300℃, 소자의 온도를 150℃,그리고 하중을 300 g/bump 로 하였을 때 Au 스터드의 전단 파괴응력은 128 g 으로 가장 큰 값을 나타내었으며, 파괴 단면은 부분적으로 Au 스터드 내부로 파괴되는 것을 보였다.
- 앞 절에 언급한 온도 차이 발생원인을 추정하기 위하여 전사 모사를 이용하여 소자와 기판 그리고 Au 스터드 사이에 각각 동일한 접촉저항을 삽입하여 전체 온도를 추정하였다. 전사모사에 사용된 소프트웨어는 앤시스 사의 워크벤치를 이용한 삼차원 시뮬레이션으로 전사모사하였으며, Table 1에 나타낸 재료의 물성을 이용하였다.
- 95의 방사율을 갖는 페인트를 칠하였다. 여기에 더해, 적외선 온도 측정 장치는 열전대를 이용하여 보정을 하였다.
- 온도 측정은 적외선 온도 측정 장치를 사용하였다. 시편의 특성상 와이어 본딩의 경우, 열원이 있는 부분을 측정하였고 Au 스터드 본딩의 경우, 시편의 뒷면을 측정하였다.
- 즉, 방열판의 열 방출은 오로지 대기에 존재하는 실내 공기에 의해서 이루어진 것이다. 온도가 최대 온도에 도달하여 일정한 온도를 갖게 된 후, 팬에 의한 공기를 방열판의 핀(Fin)에 불어주어서 방열을 돕도록 하였다.
- 와이어 본딩 시편의 경우와 동일한 조건에서 실험하였고, 기판의 재료가 미치는 영향을 관찰하기 위해서, Alumina I기판과 실리콘 기판을 비교하여 분석하였다. 특히 실리콘 기판의 금속박막은 Table 1에 표시한 바와 같이 진공증착한 Al과 Au 금속박막을 사용하였다.
- 회색으로 나타낸 영역이 Au 스터드 내부에서 파괴가 일어난 조건이다. 이 결과로부터, 가장 높은 전단 응력을 나타내고 있는 조건인 Fig. 4(a)의 조건을 사용하여 스터드 접합을 하였다.
- 이 시편을 하중과 온도를 달리하여 알루미나 기판에 압착 방식을 이용하여 플립칩 접합을 형성하였다. 플립칩 본더의 장비의 하부 홀더에 알루미나 기판을 장착하고, 헤드부분에 장치되어 있는 진공 홀더를 사용하여 Au 스터드를 만들어 놓은 실리콘 소자를 정렬한 후, 압착하여 Au 스터드 범프 본딩을 완성하였다.
- 일반적인 금속과 금속 사이의 접촉 저항은 대략 100~45,000 W/m2·K 12) 의 범위 내에서 변화시키면서 최대온도와 비교하였다.
- Au 스터드의 본딩은 플립칩 본더(Bonder)를 이용하여 제작하였다. 제작 후 Au 스터드 범프 본딩의 조건을 확립하기 위해서 본딩 후 소자를 전단 테스트 하여 Au 스터드의 파괴 모양을 관찰하여 결정하였다. Fig.
- Au 스터드 본딩시 조건은 기판의 온도를 350℃로 고정하였고, 소자의 온도는 실온에서부터 250℃까지 가변하여 최적의 공정조건을 확립하였다. 최적의 공정 조건을 찾기위해서 볼 전단 테스터를 사용하여, 파단면이 Au 스터드내에 존재하는 조건을 사용하였다.
대상 데이터
- 기판으로 사용된 것은 전면이 Au 후 막의 두 개의 알루미나 기판을 사용하였다. Alumina I으로 표시되어 있는 기판은 각각 전원에 연결되어 열원에 전류를 공급하는 전극으로 사용되었고, 이를 위해 두 개의 기판은 전기적으로 절연상태이다. 사용된 기판의 크기는 6 mm×6 mm의 크기이고, 두께는 0.
- 1(a)에 나타내었다. 기판으로 사용된 것은 전면이 Au 후 막의 두 개의 알루미나 기판을 사용하였다. Alumina I으로 표시되어 있는 기판은 각각 전원에 연결되어 열원에 전류를 공급하는 전극으로 사용되었고, 이를 위해 두 개의 기판은 전기적으로 절연상태이다.
- 두 개의 절연 기판을 기계적인 지지를 위하여, 하단부에는 15 mm×10 mm의 크기와 두께가 0.7 mm인 알루미나 기판을 사용하였다.
- 사용된 기판의 크기는 6 mm×6 mm의 크기이고, 두께는 0.25 mm이다.
- 1(d)에 나타내었다. 실리콘 소자에 형성된 알루미늄 패드 위에 62개의 Au 스터드를 형성하였다. 스터드 본딩의 접합에 사용된 장비는 플립칩 본더를 사용하였다.
- 5 mm의 크기를 갖고, 전면적에 걸쳐서 열원이 존재한다. 열원은 탄탈륨 실리사이드를 이용하여 제작하였고, 데이지 체인을 형성하기 위해 알루미늄(Al)을 이용하였다. 시편에는 66개의 알루미늄 패드가 존재하고 있다.
- 7은 기판의 종류와 코팅된 금속의 종류에 따른 최대온도를 도시한 것이다. 와이어 본딩의 경우 소자는 Ag 페이스트로 Au 코팅된 알루미나 기판에 접착되어있는 소자이다. 이는 앞 절의 와이어 본딩과 동일한 시편이다.
- 시편에는 66개의 알루미늄 패드가 존재하고 있다. 이 중 64개의 Al 패드를 이용하여 Au 스터드를 와이어 본딩 장치로 제작하였다. 알루미늄 패드 중 상단에 존재하는 두 개의 긴 패드는 실리사이드와 연결된 패드로 전원을 연결하는데 사용된다.
- 앞 절에 언급한 온도 차이 발생원인을 추정하기 위하여 전사 모사를 이용하여 소자와 기판 그리고 Au 스터드 사이에 각각 동일한 접촉저항을 삽입하여 전체 온도를 추정하였다. 전사모사에 사용된 소프트웨어는 앤시스 사의 워크벤치를 이용한 삼차원 시뮬레이션으로 전사모사하였으며, Table 1에 나타낸 재료의 물성을 이용하였다. 경계 조건은 방열판을 25℃로 하였고 공기의 대류에 의한 열 손실은 열 전도에 의한 열 손실에 비해 매우 작다고 가정하여 전사 모사를 시행하였다.
- 와이어 본딩 시편의 경우와 동일한 조건에서 실험하였고, 기판의 재료가 미치는 영향을 관찰하기 위해서, Alumina I기판과 실리콘 기판을 비교하여 분석하였다. 특히 실리콘 기판의 금속박막은 Table 1에 표시한 바와 같이 진공증착한 Al과 Au 금속박막을 사용하였다. 이는 Au 스터드 범프 본딩에서 발생하는 접촉 저항을 측정하기 위한 시편이다.
성능/효과
- 이를 전사모사에서 개략적으로 확인하였으며, 기판의 종류를 변화시켜 접촉저항을 변화시키는 경우 Au SBB로 접합된 소자의 온도는 64℃정도를 나타내며 Ag페이스트와 유사한 열 성능을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 그러므로 Au SBB본딩에서 접촉 저항 성분이 전체 소자의 열성능을 좌우하는 중요한 인자임을 알 수 있었다.
- 소자에 사용되는 Au 스터드 본딩의 조건을 확립하여 소자를 Au 금속이 있는 알루미나 기판과 연결하였다. 기판에 연결시 기판의 온도를 300℃, 소자의 온도를 150℃,그리고 하중을 300 g/bump 로 하였을 때 Au 스터드의 전단 파괴응력은 128 g 으로 가장 큰 값을 나타내었으며, 파괴 단면은 부분적으로 Au 스터드 내부로 파괴되는 것을 보였다.
- 이는 기판과 소자의 접합저항에 기인한 것으로 사료된다. 이를 전사모사에서 개략적으로 확인하였으며, 기판의 종류를 변화시켜 접촉저항을 변화시키는 경우 Au SBB로 접합된 소자의 온도는 64℃정도를 나타내며 Ag페이스트와 유사한 열 성능을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 그러므로 Au SBB본딩에서 접촉 저항 성분이 전체 소자의 열성능을 좌우하는 중요한 인자임을 알 수 있었다.
- 전 소자 범위내에 열원이 균일하게 분포하고 있는 소자를 Au 스터드 범프 본딩과 와이어 본딩으로 기판과 연결하여 가한 전력량에 따른 소자의 온도 변화는 Alumina 기판에서는 Ag 페이스트로 접합한 와이어 본딩으로 결합된 경우에서 50℃를 나타내었고, Au SBB로 접합된 소자에서는 약 99℃를 나타내었다. 이는 기판과 소자의 접합저항에 기인한 것으로 사료된다.
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