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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 Cu/Sn-Ag/Cu 미세 범프 구조의 하부 범프에 2µm의 Ni과 ENIG 표면처리 보다 좀더 두꺼운 0.5µm Au를 형성한 시편을 제작하고 in-situ SEM을 통하여 열처리에 따른 미세구조 변화 및 금속간 화합물 성장 거동을 정량적으로 분석 하기 위하여 금속간 화합물 두께를 측정 및 정량화를 통한 활성화 에너지 값을 도출하였다.
제안 방법
- Cu/Sn-Ag 범프에 ENIG처리보다 좀더 두꺼운 Ni/Au층을 형성하여 열처리 온도 및 시간에 따른 금속간 화합물 성장 거동을 분석하기 위하여 아래와 같은 시편을 제작하였다. 시편의 구조는 daisy chain 구조로 top chip은 두께 17µm의 Cu에 8µm의 Sn-2.
- Cu/Sn-Ag/Cu 미세 범프의 효과적인 금속간 화합물 생성의 억제를 비교하기 위하여 Ni/Au층을 형성하였다. Ni/Au층의 경우 Sn과의 반응성이 낮은 Ni과 Sn과의 젖음성을 향상시키는 Au를 사용하며, Ni은 Cu와 Sn 사이의 빠른 확산 반응을 방지하는 확산 장벽 역할을 한다.
- 3(a),(b)와 비교 하였을 때 상부 범프의 Cu3Sn과 하부 범프의 (Cu,Ni,Au)6Sn5이 급격히 성장한 것을 확인 할 수 있으며, 또한 계면에서 Sn이 완전히 소모되는 것을 관찰 할 수 있다. Fig. 3에서 확인 할 수 있듯이 Au 금속간 화합물의 경우 불규칙 적으로 성장하여 정량화 하기 적합하지 않아 Cu3Sn, (Cu,Ni,Au)6Sn5의 정량화를 진행하였다. Fig.
- 3에서 확인 할 수 있듯이 Au 금속간 화합물의 경우 불규칙 적으로 성장하여 정량화 하기 적합하지 않아 Cu3Sn, (Cu,Ni,Au)6Sn5의 정량화를 진행하였다. Fig. 4에 나타낸 것처럼 열처리 온도 및 시간에 따른 금속간 화합물의 두께를 정량화를 통하여 구하였다. 이 때 금속간 화합물의 두께와 시간의 관계는 식 (1)의 방정식을 통해 나타낼 수 있다.
- 열처리 실험은 3가지 온도 135oC, 150oC, 170oC에서 0~180시간 동안 열처리를 진행하였으며, 열처리에 따른 Cu/Ni/Au/Sn-Ag/Cu 미세 범프의 각 계면 미세구조 변화와 금속간 화합물의 성장 거동은 실시간 주사전자현미경(in-situ scanning electron microscopy, in-situ SEM)의 BSE(back scattered electron) 이미지와 EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy) 분석을 통하여 금속간 화합물 상을 구분하였다. 또한 in-situ SEM을 통하여 실시간으로 금속간 화합물 성장 거동을 분석하고 금속간 화합물의 두께는 image analyzer를 이용하여 측정한 금속간 화합물의 면적을 계면의 길이로 나눔으로써 정의하였고, 열처리 온도와 시간에 따른 금속간 화합물의 두께변화를 이용하여 활성화 에너지 값을 도출하였다.
- 5µm Au 순서로 전기도금으로 형성하였다. 리플로우 공정은 240oC에서 플립칩 접합 하였으며, 접합 후 언더필 공정은 주입식 언더필(Chipcoat U8437-2)을 사용하였으며, 150oC 온도에서 1시간 curing을 하여 언더필 공정을 완료하였다. 제작된 시편의 모식도는 Fig.
- 9%이며 어두운 부분의 원자 농도는 10%로 분석되었다. 본 연구에서는 Au 농도가 높아 밝은 금속간 화합물을 (Cu,Aua)6Sn5, Au의 농도가 낮아 밝기가 어두운 금속간 화합물을 (Cu,Aub)6Sn5로 구분하였다. 이와 같은 복잡한 금속간 화합물의 생성은 접합 시 용융된 Sn의 높은 확산율에 의해 Au가 Sn 내부로 신속하게 확산 된 것으로 보이며, Ni/Au층이 없는 상부계면에서 Cu와 Sn의 확산에 의해 생성된 Cu6Sn5에 Au가 불규칙 적으로 고용되어 (Cu,Aua,b)6Sn5이 생성 된 것으로 판단된다.
- 1에 나타내었다. 열처리 실험은 3가지 온도 135oC, 150oC, 170oC에서 0~180시간 동안 열처리를 진행하였으며, 열처리에 따른 Cu/Ni/Au/Sn-Ag/Cu 미세 범프의 각 계면 미세구조 변화와 금속간 화합물의 성장 거동은 실시간 주사전자현미경(in-situ scanning electron microscopy, in-situ SEM)의 BSE(back scattered electron) 이미지와 EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy) 분석을 통하여 금속간 화합물 상을 구분하였다. 또한 in-situ SEM을 통하여 실시간으로 금속간 화합물 성장 거동을 분석하고 금속간 화합물의 두께는 image analyzer를 이용하여 측정한 금속간 화합물의 면적을 계면의 길이로 나눔으로써 정의하였고, 열처리 온도와 시간에 따른 금속간 화합물의 두께변화를 이용하여 활성화 에너지 값을 도출하였다.
- 또한 하부 계면에서의 (Cu,Ni,Au)6Sn5의 성장은 Cu보다 Sn과의 반응성이 낮은 Ni 확산방지 층에 의해 하부 계면에서의 금속간 화합물 성장이 상부와는 달리 빠르게 진행되지 않은 것으로 보인다. 열처리 온도 및 시간에 따른 Cu/Ni/Au/Sn-Ag/Cu 미세 범프의 금속간 화합물 형성과 성장 거동을 관찰하기 위해 135oC,150oC, 170oC의 온도에서 각각 열처리한 단면의 실시간 미세구조 사진을 Fig. 3에 나타내었다. Fig.
대상 데이터
- 시편의 구조는 daisy chain 구조로 top chip은 두께 17µm의 Cu에 8µm의 Sn-2.3Ag솔더를 전기도금으로 형성하였으며, Bottom chip에는 두께 2µm Cu, 2µm Ni, 0.5µm Au 순서로 전기도금으로 형성하였다.
성능/효과
- 10) Fig. 4(a)에서 보는 바와 같이 Cu3Sn상은 135oC, 150oC에서 금속간 화합물의 성장기울기가 크게 차이가 나지 않으나 135oC보다 150oC에서 좀더 기울기가 커지는 것을 확인 할 수 있으며, 170oC에서의 기울기가 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 135oC, 150oC실험에서는 잔류한 Sn에 의해 (Cu,Aua,b)6Sn5상의 성장이 계속적으로 진행되며, Cu6Sn5 내로 Cu의 확산이 진행됨에 따라 생성되는 Cu3Sn으로의 상전이 현상이 느린 것으로 판단된다.
- Fig. 3(a)와 비교해 보았을 때 상대적으로 두꺼운 Cu3Sn을 확인 할 수 있었으며, 하부 계면의 (Cu,Ni,Au)6Sn5상 또한 비교적으로 미세하게 성장한 것을 확인 할 수 있으나 모든 Sn이 소모되어 금속간 화합물로 성장하지 않고 잔류 Sn이 존재한다. Fig.
- (b)와 비교 하였을 때 상부 범프의 Cu3Sn과 하부 범프의 (Cu,Ni,Au)6Sn5이 급격히 성장한 것을 확인 할 수 있으며, 또한 계면에서 Sn이 완전히 소모되는 것을 관찰 할 수 있다.
- 2에 나타내었다. Fig. 2에서 확인 할 수 있듯이 솔더 내부에 약 4가지의 다른 금속간 화합물이 생성 되었으며, 이를 EDS를 통하여 분석 해 본 결과 상부 접합계면에서 Cu3Sn이 생성되었고 하부 접합계면에서는 (Cu,Ni,Au)6Sn5가 생성된 것을 확인 할 수 있었다. Au 금속간 화합물의 경우 Au의 원자 농도에 따라 농도가 높을 경우 밝은 상이, 낮을 경우 상대적으로 어두운 상으로 구분하였다.
- 열처리 온도가 높아짐에 따라 범프 내 존재하는 Sn의 소모가 빠르게 진행되며, Cu6Sn5에서 Cu3Sn으로의 상전이 현상 또한 빠르게 진행됨을 확인하였다. Ni 확산방지층의 존재로 인해 Au의 확산으로 복잡한 구조의 (Cu,Au)6Sn5 금속간 화합물이 생성되었으며, Sn과의 반응성이 낮은 Ni 확산방지층에 의해 하부 계면에서의 금속간 화합물 성장이 상부 Cu/Sn 계면에서의 금속간 화합물 성장보다 억제 되었다. 활성화 에너지는 Cu3Sn의 경우 0.
- 실시간 열처리 온도에 따른 Cu/Ni/Au/Sn-Ag/Cu 미세 범프의 금속간 화합물 성장 거동을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 금속간 화합물의 성장 거동은 열처리시간이 경과함에 따라 시간의 제곱근에 직선 형태로 증가하였고, 확산에 의한 성장이 지배적인 것을 확인 할 수 있었다. 열처리 온도가 높아짐에 따라 범프 내 존재하는 Sn의 소모가 빠르게 진행되며, Cu6Sn5에서 Cu3Sn으로의 상전이 현상 또한 빠르게 진행됨을 확인하였다.
- 금속간 화합물의 성장 거동은 열처리시간이 경과함에 따라 시간의 제곱근에 직선 형태로 증가하였고, 확산에 의한 성장이 지배적인 것을 확인 할 수 있었다. 열처리 온도가 높아짐에 따라 범프 내 존재하는 Sn의 소모가 빠르게 진행되며, Cu6Sn5에서 Cu3Sn으로의 상전이 현상 또한 빠르게 진행됨을 확인하였다. Ni 확산방지층의 존재로 인해 Au의 확산으로 복잡한 구조의 (Cu,Au)6Sn5 금속간 화합물이 생성되었으며, Sn과의 반응성이 낮은 Ni 확산방지층에 의해 하부 계면에서의 금속간 화합물 성장이 상부 Cu/Sn 계면에서의 금속간 화합물 성장보다 억제 되었다.
후속연구
- 65eV22)와 유사한 값을 보이며 이는 Cu와 solder사이의 확산만 존재하므로 기존 연구 결과와 유사한 활성화 에너지 값을 나타내는 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 Cu/Sn 구조에서 Ni/Au층의 형성함으로써 Ni의 확산방지층 역할로 인해 금속간 화합물 성장을 억제시키며 전기적 신뢰성이 향상 될 것으로 사료된다.
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