[논문]플립칩 공정시 반응생성물이 계면반응 및 접합특성에 미치는 영향

하준석; 정재필; 오태성

doi:10.6117/kmeps.2012.19.2.035

초록
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플립칩 접합시 발생하는 계면반응 거동과 접합특성을 계면에 생성되는 금속간화합물의 관점에서 접근하였다. 이를 위하여 Al/Cu와 Al/Ni의 under bump metallization(UBM) 층과 Sn-Cu계 솔더(Sn-3Cu, Sn-0.7Cu)와의 반응에 의한 금속간화합물의 형성거동 및 계면접합성을 분석하였다. Al/Cu UBM 상에서 Sn-0.7Cu 솔더를 리플로우한 경우에는 솔더/UBM 계면에서 금속간화합물이 형성되지 않았으며, Sn-3Cu를 리플로우한 경우에는 계면에서 생성된 $Cu_6Sn_5$ 금속간화합물이 spalling 되어 접합면이 분리되었다. 반면에 Al/Ni UBM 상에서 Sn-Cu계 솔더를 리플로우한 경우에는 0.7 wt% 및 3 wt%의 Cu 함량에 관계없이 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 금속간화합물이 계면에 형성되어 있었으며, 계면접합이 안정적으로 유지되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We studied interfacial reaction and bonding characteristics of a flip chip bonding with the viewpoint of formation behavior of intermetallic compounds. For this purpose, Sn-0.7Cu and Sn-3Cu solders were reflowed on the Al/Cu and Al/Ni UBMs. When Sn-0.7Cu was reflowed on the Al/Cu UBM, no intermetall...

We studied interfacial reaction and bonding characteristics of a flip chip bonding with the viewpoint of formation behavior of intermetallic compounds. For this purpose, Sn-0.7Cu and Sn-3Cu solders were reflowed on the Al/Cu and Al/Ni UBMs. When Sn-0.7Cu was reflowed on the Al/Cu UBM, no intermetallic compounds were formed at the solder/UBM interface. The $Cu_6Sn_5$ intermetallic compounds formed by reflowing Sn-3Cu solder on the Al/Cu UBM were spalled from the interface, resulting in delamination of the solder/UBM interface. On the other hand, the $(Cu,Ni)_6Sn_5$ intermetallic compounds were formed by reflowing of Sn-0.7Cu and Sn-3Cu on the Al/Ni UBM and the interfacial bonding between the Sn-Cu solders and the Al/Ni UBM was kept stable.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 리플로우 공정을 이용한 플립칩 접합시 발생하는 계면 반응거동과 접합특성을 계면에 형성되는 금속간화합물의 관점에서 살펴보고자 하였다. 이를 위하여 현재까지 박막 UBM으로 널리 사용되고 있는 Delko사의 Al/Ni/Cu UBM을 기준으로 UBM 층을 Al/Cu와 Al/Ni로 변화를 주었다.
본 연구에서는 기존의 Al/Ni/Cu UBM 시스템과는 달리 단일 젖음층을 갖는 Al/Cu와 Al/Ni UBM에 Sn-0.7Cu와 Sn-3Cu 조성의 솔더를 리플로우시 발생하는 계면 반응거동과 접합상태를 계면에서 생성되는 금속간화합물의 관점에서 접근하고자 하였다. Al/Cu UBM 상에서 Sn-0.

가설 설정

18 wt%인 것에 비하면 상당히 높은 값이다. 본 실험에서 사용된 Al/Cu UBM에 있는 Cu막이 모두 솔더 내로 용출된다고 가정하면 솔더 내의 Cu의 농도는 약 1.1 wt%가 된다. 따라서 Al/Cu UBM 상에서 Sn-0.

제안 방법

리플로우한 솔더범프의 단면을 관찰하기 위하여 0.04 µm 크기의 알루미나 페이스트를 사용하여 시편 연마를 한 후, 질산, 염산과 글리세롤을 1 : 1 : 4의 부피비로 혼합한 에칭액을 사용하여 80℃에서 에칭을 행하였다.
본 연구에서는 리플로우 공정을 이용한 플립칩 접합시 발생하는 계면 반응거동과 접합특성을 계면에 형성되는 금속간화합물의 관점에서 살펴보고자 하였다. 이를 위하여 현재까지 박막 UBM으로 널리 사용되고 있는 Delko사의 Al/Ni/Cu UBM을 기준으로 UBM 층을 Al/Cu와 Al/Ni로 변화를 주었다. 이와 같은 UBM에 Cu 함량이 서로 다른 Sn-0.
이를 위하여 현재까지 박막 UBM으로 널리 사용되고 있는 Delko사의 Al/Ni/Cu UBM을 기준으로 UBM 층을 Al/Cu와 Al/Ni로 변화를 주었다. 이와 같은 UBM에 Cu 함량이 서로 다른 Sn-0.7Cu와 Sn-3Cu 솔더를 반응시켜 형성되는 금속간화합물에 변화를 주었으며, 이에 따른 계면 반응거동과 접합특성을 분석하였다.
UBM과 반응시킬 Sn-0.7Cu와 Sn-3Cu 조성의 솔더 비드(bead)를 제작하기 위하여 우선 Sn과 Cu를 Sn-0.7Cu 또는 Sn-3Cu 솔더 조성에 맞추어 칭량한 후, 진공유도용해로를 사용하여 용해시켜 각기 Sn-0.7Cu와 Sn-3Cu 조성의 솔더 잉곳을 제작하였다. 이들 솔더 잉곳들을 압연하여 100 µm 두께의 박판으로 만든 후, 10 mg 크기의 작은 조각으로 절단하였다.
이들 솔더 잉곳들을 압연하여 100 µm 두께의 박판으로 만든 후, 10 mg 크기의 작은 조각으로 절단하였다. 이들 솔더 조각들을 240℃로 유지하고 있는 RMA 플럭스 내에 떨어트려 용해시켜 Sn-0.7Cu와 Sn-3Cu 조성의 솔더 비드들을 제작하였다.
솔더와 반응할 UBM 층을 형성하기 위해 우선 4인치 크기의 p형 Si(100) 웨이퍼를 oxidation furnace 내에 장입하고 산화처리하여 표면에 SiO₂층을 형성하였다. 이와 같은 Si 기판에 e-beam 증착법을 사용하여 400 nm 두께의 Al과 400 nm 두께의 Cu를 순차적으로 증착시켜 Al/Cu UBM을 형성하였으며, 400 nm 두께의 Al과 400 nm 두께의 Ni을 순차적으로 증착시켜 Al/Ni UBM을 형성하였다.
7Cu 또는 Sn-3Cu 솔더 비드를 떨어뜨리고 30초간 유지하여 솔더비드를 리플로우 시켜 솔더범프를 형성하였다. 이와 같이 형성한 Sn-0.7Cu와 Sn-3Cu 솔더범프에 대해 볼전단시험을 행하여 솔더/UBM 계면의 기계적 성질을 측정하였으며, 볼전단시험에 의해 파단된 접합계면을 Philips XL30 Field Emission Scanning Electron Microscope(FESEM)을 사용하여 관찰하였다. 리플로우한 솔더범프의 단면을 관찰하기 위하여 0.
04 µm 크기의 알루미나 페이스트를 사용하여 시편 연마를 한 후, 질산, 염산과 글리세롤을 1 : 1 : 4의 부피비로 혼합한 에칭액을 사용하여 80℃에서 에칭을 행하였다. 솔더와 UBM의 반응에 의해 형성된 금속간 화합물의 조성은 Energy Dispersive X-ray spectroscopy(EDS)를 사용하여 분석하였다.
3에 나타내었다. 기판과 솔더의 계면에 수직한 방향으로 폴리싱을 실시한 후 계면관찰이 용이하도록 솔더를 에칭한 후 단면 SEM을 관찰하였다. Fig.

대상 데이터

Al/Cu와 Al/Ni UBM이 형성된 Si 웨이퍼를 dicing saw를 사용하여 10 mm×10 mm 크기로 절단하여 Si 기판을 형성하였다.
층을 형성하였다. 이와 같은 Si 기판에 e-beam 증착법을 사용하여 400 nm 두께의 Al과 400 nm 두께의 Cu를 순차적으로 증착시켜 Al/Cu UBM을 형성하였으며, 400 nm 두께의 Al과 400 nm 두께의 Ni을 순차적으로 증착시켜 Al/Ni UBM을 형성하였다. Al/Cu와 Al/Ni UBM이 형성된 Si 웨이퍼를 dicing saw를 사용하여 10 mm×10 mm 크기로 절단하여 Si 기판을 형성하였다.

성능/효과

4) 솔더와 UBM과의 반응에 의하여 생성되는 금속간화합물은 양호한 접합을 이루기 위해서는 꼭 필요한 존재이다.^5-10) 그러나 솔더와 UBM이 장시간 반응하여 금속간화합물이 과도한 성장을 할 경우 금속간화합물이 솔더 내부로 떠오르게 되는 spalling 현상이 발생하여 접합력이 급속히 악화되어 솔더/UBM 계면의 기계적 특성이 저하되는 것으로 보고되고 있다.
5에 나타내었는데, 이들 미세구조는 Table 1에 나타낸 솔더와 UBM의 조합에 따른 금속간화합물의 생성 유무 및 기판과의 접합성과 일치하는 결과를 나타내고 있다. Fig. 4에 나타낸 것과 같이 Al/Cu UBM의 경우에는 Sn-0.7Cu 솔더와 Sn-3Cu 솔더에 대해서 모두 계면에서 금속간화합물이 전혀 관찰되지 않아 두 솔더에 대해서 모두 접합이 잘 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있었으며, EDS를 사용하여 계면조성을 분석한 결과 파단면에서 Cu가 검출되지 않았으며, Al과 Si만 검출되었다. 반면에 Al/Ni UBM을 사용한 경우에는 Fig.
5와 같이 볼전단시험한 계면 파단면에서 금속간화합물이 관찰되어, 솔더와 UBM의 반응에 의해 금속간화합물이 형성되며 이들 금속간화합물이 계면에 잘 접합되어 있다는 것을 유추할 수 있다. 이들 파단면에 있는 금속간 화합물의 조성을 EDS를 사용하여 분석한 결과 Cu와 Ni, 그리고 Sn으로 구성되어 있음을 확인하였다.
이제까지의 결과에서와 같이 솔더/UBM 계면에서 금속간 화합물의 형성 유무 및 계면 접합성이 UBM의 종류 및 Sn-Cu 솔더내 Cu 함량에 크게 의존하는 것을 관찰할 수 있었는데, 이와 같은 원인으로는 UBM 재료인 Cu와 Ni이 Sn-Cu 솔더 내로 용출(dissolution) 되는 정도의 차이에 기인하는 것으로 판단된다. UBM 층이 솔더내로 용출되는 것은 최근 플립칩 패키지에 사용되는 기판 제조공정에서 이슈가 되고 있다.
특히 전기도금을 이용하여 형성한 후막 UBM의 경우보다는 스퍼터링이나 진공증착법으로 제작된 박막 UBM의 경우에 심각한 문제로 작용할 수 있다고 보고되고 있다.⁶⁾ 본 실험에서도 Sn-0.7Cu 솔더를 Al/Cu UBM에서 리플로우시 Al/Cu UBM의 Cu가 모두 솔더내로 용출하기 때문에 계면에서 금속간화합물이 형성되지 못하는 것을 관찰할 수 있었다(Fig. 2 참조).
7Cu 솔더를 리플로우한 경우에는 UBM의 Cu 층이 모두 솔더 내로 용출되어 계면에서 금속간화합물이 형성되지 않았으며, Sn-3Cu를 리플로우한 경우에는 계면에서 생성된 Cu₆Sn₅ 금속간화합물이 spalling 되어 접합면이 분리된 상태를 보이고 있었다. 그러나 Al/Ni UBM 상에서 Sn-Cu계 솔더를 리플로우한 경우에는 0.7 wt% 및 3 wt%의 Cu 함량에 관계없이 (Cu,Ni)₆Sn₅ 금속간화합물이 계면에 형성되어 있었으며, 이에 의해 계면접합이 안정적으로 유지되고 있음을 확인할 수 있었다. 이와 같이 UBM에 따른 계면 반응거동과 접합상태의 차이는 UBM의 젖음층으로 사용된 Cu와 Ni 층과 Sn-Cu 무연솔더내 Sn과의 반응성의 차이와 생성된 금속간화합물의 종류에 따른 결과라고 생각된다.
이와 같이 UBM에 따른 계면 반응거동과 접합상태의 차이는 UBM의 젖음층으로 사용된 Cu와 Ni 층과 Sn-Cu 무연솔더내 Sn과의 반응성의 차이와 생성된 금속간화합물의 종류에 따른 결과라고 생각된다. 본 연구의 결과를 바탕으로 계면접합성이 우수한 계면 금속간화합물을 생성시킬 수 있는 UBM과 솔더 조성의 조합을 제시함으로써, 박막 UBM을 적용한 플립칩 공정에서 계면접합성을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다는데 의의가 있다고 하겠다.
Ti/Ni(50 nm/200 nm) UBM 상에서 SnPb 공정솔더를 리플로우 했을 때 40분이 지나서야 spalling이 일어나기 시작한다고 보고되었다.⁸⁾ SnPb 공정솔더를 리플로우시 Ti/Cu UBM에서는 10분만에 금속간화합물의 spalling이 발생하나, Ti/Cu UBM의 Cu 층의 두께보다 1/4 이상 더 얇은Ni 층으로 구성된 Ti/Ni UBM을 사용한 경우에는 40분 이상 리플로우 시에도 spalling이 일어나지 않았다는 보고^7,8)들을 본 실험의 결과와 비교시, Al/Cu와 Al/Ni UBM에서 금속간 화합물의 형성거동의 차이는 Cu와 Ni의 Sn-Cu 솔더에 대한 반응성의 차이에 기인한다고 판단할 수 있다.

후속연구

본 실험의 결과들로부터 플립칩 공정에 적용하기 위한 솔더재료와 박막 UBM을 선정함에 있어서, Ni이 포함되는 금속간화합물을 성장시킴으로써 금속간화합물의 spalling과 계면분리를 억제하도록 하는 솔더-UBM 시스템을 새로이 제안할 수 있다. 이와 같은 시스템으로는 일반적으로 사용되고 있는 Al/Ni/Cu의 3층 구조의 UBM이 아닌 Al/Ni 2층 구조의 UBM에 Sn-Cu계 솔더를 사용하거나, 아니면 반대로 Al/Cu UBM에 Sn-Ni계 솔더를 사용한 조합도 가능할 것이다.
본 실험의 결과들로부터 플립칩 공정에 적용하기 위한 솔더재료와 박막 UBM을 선정함에 있어서, Ni이 포함되는 금속간화합물을 성장시킴으로써 금속간화합물의 spalling과 계면분리를 억제하도록 하는 솔더-UBM 시스템을 새로이 제안할 수 있다. 이와 같은 시스템으로는 일반적으로 사용되고 있는 Al/Ni/Cu의 3층 구조의 UBM이 아닌 Al/Ni 2층 구조의 UBM에 Sn-Cu계 솔더를 사용하거나, 아니면 반대로 Al/Cu UBM에 Sn-Ni계 솔더를 사용한 조합도 가능할 것이다. Sn-Ni계 솔더의 경우에는 일반적으로는 사용되지 않는 솔더 조성이지만, 용해온도 이하에서 솔더링을 행하는 부분용융 솔더링 공정(partial melting soldering process)의 가능성과 이들의 실제 적용에 대한 연구들이 진행되어 왔다.
Sn-Ni계 솔더의 경우에는 일반적으로는 사용되지 않는 솔더 조성이지만, 용해온도 이하에서 솔더링을 행하는 부분용융 솔더링 공정(partial melting soldering process)의 가능성과 이들의 실제 적용에 대한 연구들이 진행되어 왔다.^10,11) 본 실험의 결과들로부터 제안하는 솔더-UBM 시스템을 사용하면 UBM 형성공정을 간소화 시킬 수 있으며, (Cu,Ni)₆Sn₅ 금속간화합물을 형성하여 spalling을 억제시킴으로써 계면안정성을 향상시킬 수 있을 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플립칩 패키지에 사용되는 반도체 칩의 알루미늄 패드의 특징은?	플립칩 패키지에 사용되는 반도체 칩의 알루미늄 패드는 무연솔더의 주성분인 Sn과 반응을 하지 않기 때문에 알루미늄 패드 위에 under bump metallization(UBM) 층을 형성하여 무연솔더와 반응시켜 접합을 이룬다.4) 솔더와 UBM과의 반응에 의하여 생성되는 금속간화합물은 양호한 접합을 이루기 위해서는 꼭 필요한 존재이다.
	플립칩 공정이 최근 스마트 폰을 비롯한 각종 휴대용 전자기기에 다양하게 적용되고 있는 이유는?	1)플립칩 공정은 반도체 칩에 형성한 솔더범프를 기판 패드에 배열한 후 리플로우 시켜 반도체 칩을 기판에 실장하는 방법으로서 미세한 피치를 가진 반도체 칩의 실장이 가능하다. 또한 반도체 칩의 점유면적을 최소화시킬수 있어 전자제품의 소형화와 박판화가 가능하고, 반도체 칩과 기판과의 접속거리 감소에 따른 전기적 성질의 향상이 가능하기 때문에 최근 스마트 폰을 비롯한 각종 휴대용 전자기기에 다양하게 적용되고 있다.2,3)
	플립칩 공정이란?	이와 같은 요구를 만족시키기 위해 플립칩 패키징이 널리 사용되어 왔으며 앞으로도 여러 형태로 계속해서 사용될 것으로 판단된다.1)플립칩 공정은 반도체 칩에 형성한 솔더범프를 기판 패드에 배열한 후 리플로우 시켜 반도체 칩을 기판에 실장하는 방법으로서 미세한 피치를 가진 반도체 칩의 실장이 가능하다. 또한 반도체 칩의 점유면적을 최소화시킬수 있어 전자제품의 소형화와 박판화가 가능하고, 반도체 칩과 기판과의 접속거리 감소에 따른 전기적 성질의 향상이 가능하기 때문에 최근 스마트 폰을 비롯한 각종 휴대용 전자기기에 다양하게 적용되고 있다.

참고문헌 (11)

M. Y. Kim, S. K. Lim and T. S. Oh, "Thermal Cycling and High Temperature Storage Reliabilities of the Flip Chip Joints Processed Using Cu Pillar Bumps", J. Microelectro. Packag. Soc., 17(3), 27 (2010).
J. Y. Choi, M. Y. Kim, S. K. Lim and T. S. Oh, "Flip Chip Process for RF Packages Using Joint Structures of Cu and Sn Bumps", J. Microelectro. Packag. Soc., 16(3), 67 (2009).
J. Y. Choi and T. S. Oh, "Flip Chip Process by Using the Cu-Sn-Cu Sandwich Joint Structure of the Cu Pillar Bumps", J. Microelectro. Packag. Soc., 16(4), 9 (2009).
S. M. Hong, J. Y. Park, C. B. Park, J. P. Jung and C.-S. Kang "A Study on the Wetting Properties of UBM-Coated Siwafer", J. Microelectron. Packag. Soc., 7(2) 55 (2000).
J. S. Ha, T. S. Oh and K. N. Tu, "Effect of Super-saturation of Cu on Reaction and Intermetallic Compound Formation between Sn-Cu Solder and Thin Film Metallization", J. Mater. Res., 18(9), 2109 (2003).

상세보기
M. Lia, F. Zhanga, W. T. Chena, K. Zenga, K. N. Tu, H. Balkana and P. Elenius, "Interfacial Microstructure Evolution between Eutectic SnAgCu Solder and Al/Ni(V)/Cu Thin Films", J. Mater. Res., 17(7), 1612 (2002).

상세보기
K. N. Tu and K. Zeng, "Tin-lead (Sn-Pb) Solder Reaction in Flip Chip Technology", Mater. Sci. Eng. 38(1) 6 (2001).
P. G. Kim, J. W. Jang, T. Y. Lee and K. N. Yu, "Interfacial Reaction and Wetting Behavior in Eutectic SnPb Solder on Ni/Ti Thin Films and Ni Foils", J. Appl. Phys., 86(12), 6746 (1999).

상세보기
C. E. Ho, R. Y. Tsai, Y. L. Lin and C. R. Kao, "Effect of Cu Concentration on the Reactions between Sn-Ag-Cu Solders and Ni", J. Electron. Mater., 31(6), 584 (2002).

상세보기
J. S. Ha, "A Study on Partial Melting Soldering Process and Reliability for Pb-Free Flip Chip Package", Doctorial Thesis, Seoul National University, Seoul (2002).
J. Y. Park, "Study on the Analysis of Wetting Forces in the Wetting Balance Curve and Application to the Prediction of Solder Joint Geometry", Doctorial Thesis, Seoul National University, Seoul (2000).

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