Cu/Sn-3.5Ag 미세범프 구조에 따른 실시간 금속간화합물 성장거동 분석 Effect of Solder Structure on the In-situ Intermetallic Compounds growth Characteristics of Cu/Sn-3.5Ag Microbump원문보기
3차원 적층 패키지를 위한 Cu/Sn-3.5Ag 미세범프의 솔더 구조에 따른 금속간화합물 성장거동을 분석하기 위해 솔더 두께가 각각 $6{\mu}m$, $4{\mu}m$인 서로 다른 구조의 미세범프를 $130^{\circ}C$, $150^{\circ}C$, $170^{\circ}C$ 조건에서 실시간 주사전자현미경을 이용하여 실시간 금속간화합물 성장 거동을 분석하였다. Cu/Sn-3.5Ag($6{\mu}m$) 미세범프의 경우, 많은 양의 솔더로 인해 접합 직후 솔더가 넓게 퍼진 형상을 나타내었고, 열처리 시간경과에 따라 $Cu_6Sn_5$ 및 $Cu_3Sn$금속간화합물이 성장한 후, 잔류 Sn 소모 시점 이후 $Cu_6Sn_5$가 $Cu_3Sn$으로 상전이 되는 구간이 존재하였다. 반면, Cu/Sn-3.5Ag($4{\mu}m$) 미세범프의 경우, 적은양의 솔더로 인해 접합 직후 솔더의 퍼짐 현상이 억제 되었고, 접합 직후 잔류 Sn상이 존재하지 않아서 금속간화합물 성장구간이 억제되고, 열처리 시간경과에 따라 $Cu_6Sn_5$가 $Cu_3Sn$으로 상전이 되는 구간만 존재하였다. 두 시편의 $Cu_3Sn$상의 활성화 에너지의 값은 Cu/Sn-3.5Ag($6{\mu}m$) 및 Cu/Sn-3.5Ag($4{\mu}m$) 미세범프가 각각 0.80eV, 0.71eV로 나타났고, 이러한 차이는 반응기구 구간의 차이에 따른 것으로 판단된다. 따라서, 솔더의 측면 퍼짐 보다는 접합 두께가 미세범프의 금속간화합물 반응 기구를 지배하는 것으로 판단된다.
3차원 적층 패키지를 위한 Cu/Sn-3.5Ag 미세범프의 솔더 구조에 따른 금속간화합물 성장거동을 분석하기 위해 솔더 두께가 각각 $6{\mu}m$, $4{\mu}m$인 서로 다른 구조의 미세범프를 $130^{\circ}C$, $150^{\circ}C$, $170^{\circ}C$ 조건에서 실시간 주사전자현미경을 이용하여 실시간 금속간화합물 성장 거동을 분석하였다. Cu/Sn-3.5Ag($6{\mu}m$) 미세범프의 경우, 많은 양의 솔더로 인해 접합 직후 솔더가 넓게 퍼진 형상을 나타내었고, 열처리 시간경과에 따라 $Cu_6Sn_5$ 및 $Cu_3Sn$금속간화합물이 성장한 후, 잔류 Sn 소모 시점 이후 $Cu_6Sn_5$가 $Cu_3Sn$으로 상전이 되는 구간이 존재하였다. 반면, Cu/Sn-3.5Ag($4{\mu}m$) 미세범프의 경우, 적은양의 솔더로 인해 접합 직후 솔더의 퍼짐 현상이 억제 되었고, 접합 직후 잔류 Sn상이 존재하지 않아서 금속간화합물 성장구간이 억제되고, 열처리 시간경과에 따라 $Cu_6Sn_5$가 $Cu_3Sn$으로 상전이 되는 구간만 존재하였다. 두 시편의 $Cu_3Sn$상의 활성화 에너지의 값은 Cu/Sn-3.5Ag($6{\mu}m$) 및 Cu/Sn-3.5Ag($4{\mu}m$) 미세범프가 각각 0.80eV, 0.71eV로 나타났고, 이러한 차이는 반응기구 구간의 차이에 따른 것으로 판단된다. 따라서, 솔더의 측면 퍼짐 보다는 접합 두께가 미세범프의 금속간화합물 반응 기구를 지배하는 것으로 판단된다.
Thermal annealing tests were performed in an in-situ scanning electron microscope chamber at $130^{\circ}C$, $150^{\circ}C$, and $170^{\circ}C$ in order to investigate the effects of solder structure on the growth kinetics of intermetallic compound (IMC) in Cu/Sn-3.5...
Thermal annealing tests were performed in an in-situ scanning electron microscope chamber at $130^{\circ}C$, $150^{\circ}C$, and $170^{\circ}C$ in order to investigate the effects of solder structure on the growth kinetics of intermetallic compound (IMC) in Cu/Sn-3.5Ag microbump. Cu/Sn-3.5Ag($6{\mu}m$) microbump with spreading solder structure showed $Cu_6Sn_5$ and $Cu_3Sn$ phase growths and then IMC phase transition stages with increasing annealing time. By the way, Cu/Sn-3.5Ag($4{\mu}m$) microbump without solder spreading, remaining solder was transformed to $Cu_6Sn_5$ right after bonding and had only a phase transition of $Cu_6Sn_5$ to $Cu_3Sn$ during annealing. Measured activation energies for the growth of the $Cu_3Sn$ phase during the annealing were 0.80 and 0.71eV for Cu/Sn-3.5Ag($6{\mu}m$) and Cu/Sn-3.5Ag($4{\mu}m$), respectively.
Thermal annealing tests were performed in an in-situ scanning electron microscope chamber at $130^{\circ}C$, $150^{\circ}C$, and $170^{\circ}C$ in order to investigate the effects of solder structure on the growth kinetics of intermetallic compound (IMC) in Cu/Sn-3.5Ag microbump. Cu/Sn-3.5Ag($6{\mu}m$) microbump with spreading solder structure showed $Cu_6Sn_5$ and $Cu_3Sn$ phase growths and then IMC phase transition stages with increasing annealing time. By the way, Cu/Sn-3.5Ag($4{\mu}m$) microbump without solder spreading, remaining solder was transformed to $Cu_6Sn_5$ right after bonding and had only a phase transition of $Cu_6Sn_5$ to $Cu_3Sn$ during annealing. Measured activation energies for the growth of the $Cu_3Sn$ phase during the annealing were 0.80 and 0.71eV for Cu/Sn-3.5Ag($6{\mu}m$) and Cu/Sn-3.5Ag($4{\mu}m$), respectively.
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가설 설정
1-5) 이러한 기술은 기존의 패키지들과 비교하여 부피와 무게를 최소화할 수 있고, 전력의 소모가 감소할 뿐만 아니라 고밀도화, 고기능화를 이룰 수 있다.6) 이러한 고밀도, 고기능화를 이루기 위해서는 피치의 미세화가 중요하다. 미세피치를 위한 미세범프는 Cu pillar/솔더의 구조는 적은 양의 솔더를 사용하여 인접 범프와 접합을 유발하지 않고 미세 피치를 적용할 수 있어 현재 주목받고 있다.
제안 방법
Cu/Sn-3.5Ag 미세범프의 솔더 구조에 따른 금속간화합물 성장 거동을 분석하기 위해 솔더 두께가 각각 6 µm, 4 µm인 서로 다른 구조의 미세범프를 130℃, 150℃, 170℃ 조건에서 in-situ SEM을 이용하여 실시간 금속간 화합물 성장 거동을 분석하였다.
Cu/Sn-3.5Ag 미세범프의 솔더 두께 및 퍼짐 여부에 따른 금속간화합물의 성장거동을 in-situ SEM을 이용하여 분석하였다. 금속간화합물의 성장거동은 열처리 시간이 경과함에 따라 시간 제곱근에 직선 형태로 증가하여, Cu-Sn금속간화합물의 성장은 확산지배기구로 판단된다.
Sn을 소모하며 Cu6Sn5상이 빠르게 성장하는 구간을 “stage 1”, Sn이 완전히 소모되는 시점을 “transition time”, Sn을 완전히 소모한 후 Cu6Sn5에서 Cu3Sn으로 상전이만 일어나는 구간을 “stage 2”라 명명 하였다.
금속간화합물의 두께는 칩 양단에 형성된 금속간화합물 층을 측정하였고, image analyzer를 이용하여 솔더 두께 및 열처리 온도에 따른 금속간화합물의 두께 변화를 정량화하였다. 그 결과를 통하여 금속간화합물의 성장 거동 및 활성화 에너지를 비교 평가하였다.
열처리에 따른 솔더 접합부의 금속간화합물 형성과 성장을 관찰하기 위하여 in-situ SEM의 back scattered electron (BSE)사진과 energy dispersive x-ray spectroscopy(EDS)를 이용하여 실시간으로 분석하였다. 금속간화합물의 두께는 칩 양단에 형성된 금속간화합물 층을 측정하였고, image analyzer를 이용하여 솔더 두께 및 열처리 온도에 따른 금속간화합물의 두께 변화를 정량화하였다. 그 결과를 통하여 금속간화합물의 성장 거동 및 활성화 에너지를 비교 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 실시간 주사전자현미경(in-situ scanning electron microscopy (SEM))을 이용하여 Cu/Sn-3.5Ag 미세범프의 솔더 구조에 따른 금속간화합물 성장 거동을 분석하기 위해 솔더 두께가 각각 6 µm, 4 µm인 서로 다른 구조의 미세범프를 130℃, 150℃, 170℃ 조건에서 실시간 금속간화합물 성장 거동을 분석하고, 활성화 에너지를 도출하였다.
상부 기판 또한 전기도금을 이용하여 10 µm 두께 및 약 20 µm 지름을 갖는 Cu pillar를 형성하였으며, 그 위에 약 6 µm와 4 µm 두께의 Sn-3.5Ag 솔더를 전기도금으로 형성하였고, 260℃에서 약 20N의 압력으로 플립칩 본딩(flip-chip bonding)으로 접합하였다.
열처리에 따른 금속간화합물의 형성 및 성장을 실시간으로 관찰하기 위해 시편을 #600 ~ #2000의 연마지와 1~3 µm의 연마천 및 연마액을 이용하여 단면 폴리싱 후, 각각 130℃와 150℃, 170℃의 조건에서 실험을 진행하였다.
열처리에 따른 금속간화합물의 형성 및 성장을 실시간으로 관찰하기 위해 시편을 #600 ~ #2000의 연마지와 1~3 µm의 연마천 및 연마액을 이용하여 단면 폴리싱 후, 각각 130℃와 150℃, 170℃의 조건에서 실험을 진행하였다. 열처리에 따른 솔더 접합부의 금속간화합물 형성과 성장을 관찰하기 위하여 in-situ SEM의 back scattered electron (BSE)사진과 energy dispersive x-ray spectroscopy(EDS)를 이용하여 실시간으로 분석하였다. 금속간화합물의 두께는 칩 양단에 형성된 금속간화합물 층을 측정하였고, image analyzer를 이용하여 솔더 두께 및 열처리 온도에 따른 금속간화합물의 두께 변화를 정량화하였다.
온도에 따른 서로 다른 구조를 가진 Cu/Sn-3.5Ag미세범프의 금속간화합물 형성과 성장 거동을 관찰하기 위해 각각 130℃와 150℃, 170℃의 조건에서 일정한 시간 동안 열처리를 시행하였다. Fig.
최근 연구에서는 다양한 Cu pillar 미세범프에서 열처리에 따른 금속간화합물 성장 메커니즘 및 활성화 에너지에 대한 연구가 보고 되고 있다. 우리 연구그룹에서 Cu pillar/pure Sn에서 열처리 시 활성화 에너지를 0.65eV, 전류인가조건에서는 0.56eV로 평가하였고,12) Cu pillar/Sn-3.5Ag(6 um)에서 열처리 시 활성화 에너지를 0.68eV, Cu pillar/Sn-3.5Ag(4 um)에서 열처리 시 0.66eV로 평가하였다.7,13) 또한 타 연구 그룹에서의 Cu/SnAg 미세범프에서의 활성화 에너지 값을 0.
은 frequency factor, Ea는 활성화 에너지, R은 기체상수 그리고 T는 열처리 온도를 나타낸다. 이에 따른 Cu3Sn상의 활성화 에너지를 계산하였다. Structure A 미세범프의 경우 Cu3Sn상이 transition time을 지나면서 기울기가 변하기 때문에 stage 1의 Cu3Sn상의 활성화 에너지를 도출하였다.
성능/효과
2는 structure A 미세범프의 열처리 시간에 따른 계면에서의 미세구조 변화를 보여준다. 130℃에서 열처리 시간경과에 따라 Cu6Sn5상과 Cu3Sn상이 성장하는 것을 확인할 수 있었고, 220h 후에도 계속해서 솔더가 남아있는 것을 확인할 수 있었다. 150℃에서는 130℃와 같이 Cu6Sn5상과 Cu3Sn상이 눈에 띄게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
83eV로 평가되었다.15) 이러한 결과를 바탕으로 구조가 다른 시편의 열처리에 따른 활성화 에너지를 비교해보면, 플립칩 솔더범프 구조에서는 Cu pillar 범프 보다 상대적으로 많은 Sn의 양으로 인해 Cu와 Sn의 계면에서 Cu6Sn5상의 성장이 지배적인 반응을 나타내고, Cu pillar 범프 구조는 보다 적은 양의 Sn으로 인해 접합 시 Cu6Sn5상의 성장이 지배적이며 열처리 시 Cu6Sn5상에서 Cu3Sn상으로의 상전이 반응이 지배적이다. 이처럼 플립칩 솔더 범프와 Cu pillar 범프에서는 금속간화합물의 성장에 지배적인 반응이 다르므로 활성화 에너지의 값에 차이가 발생한 것으로 판단된다.
그러나 300h 이후 잔류 솔더가 모두 Cu와 반응하여 Cu6Sn5상을 형성하였고, 이후 열처리 시간경과에 따라 계속된 Cu의 유입으로 인해 Cu6Sn5상이 Cu3Sn상으로 상전이 되었다. 170℃에서는 100h까지 Cu와 Sn이 반응하여 Cu6Sn5상이 급격하게 증가하였으며, 이 후 잔류 Sn이 모두 소모되어 Cu6Sn5상은 더 이상 성장하지 않고, Cu6Sn5상이 Cu3Sn상으로 상전이 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 열처리 220h 이후에는 Cu6Sn5상이 Cu3Sn상으로 상전이 되어 미량의 Cu6Sn5상만이 관찰되었다.
기 보고에 의하면 Kirkendall void는 Cu와 Sn 원자 간의 불균일한 확산 속도로 인해 발생하는 현상으로 Sn 원자보다 Cu 원자의 확산 속도가 더 빠르므로 Cu/Cu3Sn계면과 Cu3Sn 내부에 발생한다고 알려져 있다.18) 본 연구에서 또한 Kirkendall void가 관찰되었으며, 이는 접합직후보다 열처리 온도가 높고, 시간경과에 따라 증가 되는 것을 확인하였다. Fig.
그러나 structure B 미세범프의 경우 접합 직후부터 stage 2구간만이 존재하므로 이 구간에서의 Cu3Sn상의 활성화 에너지를 도출하였다. 그 결과 structure A 미세범프와 structure B 미세범프의 활성화 에너지는 각각 0.8eV와 0.71eV로 평가되었고, Fig 6에 나타내었다.
우리 연구 그룹에서는Cu pillar/pure Sn(2-3um) 구조를 125℃, 150℃, 175℃ 조건에서 열처리 시 Cu3Sn상의 stage 1 구간에서 활성화 에너지는 0.65eV, 동일 온도조건에서 전류밀도 2.2×104 A/cm2 인가 시 0.56eV로 평가되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3차원 칩 적층 기술 사용 시의 이점은?
최근 전자제품의 소형화 및 고성능화 추세에 따라 여러 가지 기능의 칩을 통합할 수 있는 3차원 칩 적층이 최근 몇 년 동안 많은 관심을 끌고 있다.1-5) 이러한 기술은 기존의 패키지들과 비교하여 부피와 무게를 최소화할 수 있고, 전력의 소모가 감소할 뿐만 아니라 고밀도화, 고기능화를 이룰 수 있다.6) 이러한 고밀도, 고기능화를 이루기 위해서는 피치의 미세화가 중요하다.
Cu pillar/솔더 구조의 문제점은?
이러한 미세범프는 3D IC의 통합 패키지 시스템(SIP)에서, 와이어본딩에서 TSV를 통해 다른 고급 패키징 기술에 적용 할 수 있기 때문에 미세범프가 많은 관심을 받고 있다.7) 그러나 이러한 구조는 기존의 솔더 범프에 비해 상대적으로 적은 양의 솔더로 접합부 계면에 취성 특성이 있는 조대한 금속간화합물(intermetallic compound, IMC) 및 Kirkendall void를 형성시켜 접합부의 전기적 및 기계적 신뢰성 저하에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다.8-11)
미세피치를 위한 미세범프로 Cu pillar/솔더 구조가 주목받는 이유는?
6) 이러한 고밀도, 고기능화를 이루기 위해서는 피치의 미세화가 중요하다. 미세피치를 위한 미세범프는 Cu pillar/솔더의 구조는 적은 양의 솔더를 사용하여 인접 범프와 접합을 유발하지 않고 미세 피치를 적용할 수 있어 현재 주목받고 있다. 이러한 미세범프는 3D IC의 통합 패키지 시스템(SIP)에서, 와이어본딩에서 TSV를 통해 다른 고급 패키징 기술에 적용 할 수 있기 때문에 미세범프가 많은 관심을 받고 있다.
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