[논문]사다리꼴 상부 단면을 갖는 구리기둥 범프의 신뢰성 향상에 대한 연구

조일환

doi:10.4313/jkem.2012.25.7.496

사다리꼴 상부 단면을 갖는 구리기둥 범프의 신뢰성 향상에 대한 연구
Studies on Copper Pillar Bump with Trapezoidal Cross Section on the Top Surface for Reliability Improvement 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.25 no.7, 2012년, pp.496 - 499

Abstract ▼ AI-Helper

Modified structure of copper pillar bump which has trapezoidal cross section on the top region is suggested with simulation results and concept of fabrication process. Due to the large surface area of joint region between bump and solder in suggested structure, electro-migration effect can be reduced. Reduction of electro-migration is related with current density and joule heating in bump and investigated with finite element methods with variation of dimensional parameters. Mechanical characteristics are also investigated with comparing modified copper pillar bump and conventional copper pillar bump.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

고집적 패키징 기술에 사용되는 구리기둥 범프의 신뢰성 개선을 위하여 사다리꼴 상부 단면을 갖는 구리기둥 범프 기술을 소개하였다. 제안된 구조와 기존의 구리기둥 범프의 전기적, 기계적 시뮬레이션을 통하여 제안된 TCCPB 구조의 우수성을 확인할 수 있었으며, TCCPB 가 갖는 다양한 구조 변수에 따른 특성 변화에 대해서도 살펴보았다.
높은 전류밀도의 경우 구리기둥과 솔더 사이의 표면적을 증가시킬 경우 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 금속이온 이동현상을 줄이기 위하여 볼록한 윗면을 갖는 구리기둥 (trapezoidal cross section copper pillar bump, TCCPB)의 구조 및 공정 방법에 대하여 제안하고, 유한요소 해석법을 통하여 제안된 소자의 신뢰성 개선 효과에 대하여 분석한다.

가설 설정

본 연구에서는 솔더 물질로 Sn-Ag 계열의 물질을 가정하였다. 그 이유로는 최근 환경문제로 인하여 사용이 자제되고 있는 Pb free solder에 대한 연구가 활성화되었기 때문이다 [5].

제안 방법

전체 범프의 구조에서 구리기둥이 차지하는 영향을 중점적으로 보기 위해서 제안된 TCCPB의 구조를 변경하여 특성을 비교할 경우에 전체에 사용된 솔더의 양은 일정하도록 구조를 생성하였다. 먼저 그림 3에는 기존의 구리기둥 범프(CPB)와 제안된 구리기둥범프(TCCPB)의 윗면 반지름에 따른 전류 밀도의 비교 결과가 나타나 있다.
고집적 패키징 기술에 사용되는 구리기둥 범프의 신뢰성 개선을 위하여 사다리꼴 상부 단면을 갖는 구리기둥 범프 기술을 소개하였다. 제안된 구조와 기존의 구리기둥 범프의 전기적, 기계적 시뮬레이션을 통하여 제안된 TCCPB 구조의 우수성을 확인할 수 있었으며, TCCPB 가 갖는 다양한 구조 변수에 따른 특성 변화에 대해서도 살펴보았다. 제안된 TCCPB 의 구조를 통하여 구리기둥 범프기술의 신뢰성 향상을 이룰 수 있을 것이다.

이론/모형

그 이유로는 최근 환경문제로 인하여 사용이 자제되고 있는 Pb free solder에 대한 연구가 활성화되었기 때문이다 [5]. 또한 기존의 구리기둥 범프를 이용한 연구 중 상당수가 Sn-Ag 계열을 사용하였다 [6].
제안된 구조의 범프가 갖는 특성을 확인하기 위하여 유한요소 해석법 시뮬레이터를 사용하였다. 먼저 제안된 구조의 전기적인 특성과 기계적인 특성을 확인하기 위해서 사용된 각각의 물질에 대한 주요 변수는 표 1에 정리되어 있다.

성능/효과

측면에서 가해지는 힘이 솔더와 구리 기둥 사이의 계면에 접착력에 영향을 주게 되어 좌우로 밀림 현상이 발생하게 되는데, TCCPB의 경우에는 상대적으로 증가한 표면적에 따라서 측면에서 가해지는 힘에 대하여 발생하는 변화가 CPB에 비해서 감소하게 된다. 이 결과에서도 CPB에서 발생하는 결과값의 변화는 솔더양의 변화에서 기인하며, 모든 조건에 대해서 TCCPB가 측면에서 가해지는 힘에 대해서 적은 변화를 보임을 알 수 있다.

후속연구

제안된 구조와 기존의 구리기둥 범프의 전기적, 기계적 시뮬레이션을 통하여 제안된 TCCPB 구조의 우수성을 확인할 수 있었으며, TCCPB 가 갖는 다양한 구조 변수에 따른 특성 변화에 대해서도 살펴보았다. 제안된 TCCPB 의 구조를 통하여 구리기둥 범프기술의 신뢰성 향상을 이룰 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구리 기둥을 이용한 플립칩 기술의 문제점은?	구리 기둥을 이용한 플립칩 기술의 대표적인 장점으로는 고집적이 가능하다는 점과 높은 전도성으로 인한 칩의 성능 개선이 있다 [2]. 하지만 집적도의 증가와 함께 크기가 줄어든 구리기둥에 흐르는 전류의 밀도가 증가하게 되고, 이와 같은 높은 전류밀도에 의해 금속이온 이동현상 (electro migration)이 발생한다 [3]. 이와 같은 금속이온 이동현상은 구리기둥과 솔더 사이의 전류밀도에 의해서 결정된다 [3].
	높은 전류밀도에 의한 금속이온 이동현상은 무엇에 의해 결정되는가?	하지만 집적도의 증가와 함께 크기가 줄어든 구리기둥에 흐르는 전류의 밀도가 증가하게 되고, 이와 같은 높은 전류밀도에 의해 금속이온 이동현상 (electro migration)이 발생한다 [3]. 이와 같은 금속이온 이동현상은 구리기둥과 솔더 사이의 전류밀도에 의해서 결정된다 [3]. 높은 전류밀도의 경우 구리기둥과 솔더 사이의 표면적을 증가시킬 경우 감소시킬 수 있다.
	구리 기둥을 이용한 플립칩 기술의 장점은?	이러한 플립칩 기술에서 기존의 솔더볼을 이용하는 방식에 비해서 집적도와 신뢰성을 높일 수 있는 구리 기둥을 사용하는 기술에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다 [1]. 구리 기둥을 이용한 플립칩 기술의 대표적인 장점으로는 고집적이 가능하다는 점과 높은 전도성으로 인한 칩의 성능 개선이 있다 [2]. 하지만 집적도의 증가와 함께 크기가 줄어든 구리기둥에 흐르는 전류의 밀도가 증가하게 되고, 이와 같은 높은 전류밀도에 의해 금속이온 이동현상 (electro migration)이 발생한다 [3].

참고문헌 (6)

M. T. Lee, J. P. Huang, G. T. Lin, Y. H. Lin, Y. J. Jiang, S. Chiu, and C. M. Huang, 4th International Microsystems, Packaging, Assembly and Circuits Technology Conference (Taipei, Taiwan, 2009) p. 128.
Y. S. Lai, Y. T. Chiu, C. W. Lee, Y. H. Shao, and J. Chen, Proc. 58th Electronic Component and Technology Conference (Lake Buena Vista, USA, 2008) p. 330.
S. Lee, Y. X. Guo, and C. K. Ong, Proc. 6th Electronics Packaging Technology Conference (ShenZhen, China, 2005) p. 135.
C. G. Lee, B. G. Park, and J. D. Lee, IEEE, Elec. Dev. Lett., 17, 115 (1996).

상세보기
Y. D. Jeon, K. W. Paik, A. Ostmann, and H. Reichl, J. Electron. Mater., 34, 80 (2005).

상세보기
B. Ebersberger and C. Lee, Electronic Components and Technology Conference (2008) p.59.

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