[논문]볼브레이커시험에 의한 실리콘 다이의 표면조건에 따른 파단강도 평가

변재원

doi:10.12656/jksht.2013.26.4.178

볼브레이커시험에 의한 실리콘 다이의 표면조건에 따른 파단강도 평가
Evaluation of Fracture Strength of Silicon Die with Surface Condition by Ball Breaker Test 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.26 no.4, 2013년, pp.178 - 184

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of thickness and surface grinding condition on the fracture strength of Si wafer with a thickness under $100{\mu}m$ were investigated. Fracture strength was measured by ball breaker test for about 330 dies (size: $4mm{\times}4mm$) per each wafer. For statistical analysis of the fracture strength, scale factor was determined from Weibull plot. Ball breaker fracture strength was observed to increase with decreasing thickness of silicon die. For the silicon dies of different surface conditions, ball breaker fracture strength was high in the order of polished, ground (#4800), and ground (#320 grit) specimen. Probabilistic fracture strength (i.e., scale factor) increased with decreasing surface roughness of silicon die.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 초박형 실리콘 웨이퍼의 두께(150 µm~30 µm 범위) 및 표면 그라인딩 조건이 파단강도에 미치는 영향을 분석하기 위해, 실리콘 다이 시편을 제작하여 볼브레이커시험(ball breaker test)을 통해 파단강도를 측정하였다. 또한 표면조건이 파단강도에 미치는 영향을 분석하였으며, 특히 파단확률이 고려된 통계적 파단강도 해석을 위해 Weibull 선도로부터 크기인자(scale factor)를 구하여 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 초박형 실리콘 웨이퍼의 두께(150 µm~30 µm 범위) 및 표면 그라인딩 조건이 파단강도에 미치는 영향을 분석하기 위해, 실리콘 다이 시편을 제작하여 볼브레이커시험(ball breaker test)을 통해 파단강도를 측정하였다. 또한 표면조건이 파단강도에 미치는 영향을 분석하였으며, 특히 파단확률이 고려된 통계적 파단강도 해석을 위해 Weibull 선도로부터 크기인자(scale factor)를 구하여 고찰하였다.
볼브레이커 시험을 위해 소프트 패드 위에 실리콘 다이 시편을 올려 놓고, 상부에서 직경 1/4인치의 테프론 볼을 이용해 1 mm/min의 속도로 가압하여 변위-하중 곡선을 얻었다. 이 곡선에서 구한 파단하 중으로부터 식 (1)[8]을 사용하여 볼브레이커 파단강도를 계산하였다.
실리콘 웨이퍼의 강도 평가를 위해 직경이 6인치이고 두께가 625 µm인 (100) 방향 p-형 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 웨이퍼의 두께에 따른 파단 특성을 알아보기 위해 공급받은 웨이퍼를 기계적 연마(그라인딩)를 통해 두께 150 µm, 100 µm, 50 µm, 30µm로 다르게 만든 후, 각각의 웨이퍼를 기계적 폴리싱 하였다. 또한 웨이퍼 표면조건이 파단강도에 미치는 영향을 알아보기 위해 두께 100 µm의 웨이퍼에 대해서는 그라인딩(#320 grit 및 #4800 grit)만된 시험편도 준비하였다.

대상 데이터

웨이퍼의 두께에 따른 파단 특성을 알아보기 위해 공급받은 웨이퍼를 기계적 연마(그라인딩)를 통해 두께 150 µm, 100 µm, 50 µm, 30µm로 다르게 만든 후, 각각의 웨이퍼를 기계적 폴리싱 하였다. 또한 웨이퍼 표면조건이 파단강도에 미치는 영향을 알아보기 위해 두께 100 µm의 웨이퍼에 대해서는 그라인딩(#320 grit 및 #4800 grit)만된 시험편도 준비하였다.
실리콘 웨이퍼의 강도 평가를 위해 직경이 6인치이고 두께가 625 µm인 (100) 방향 p-형 실리콘 웨이퍼를 사용하였다. 웨이퍼의 두께에 따른 파단 특성을 알아보기 위해 공급받은 웨이퍼를 기계적 연마(그라인딩)를 통해 두께 150 µm, 100 µm, 50 µm, 30µm로 다르게 만든 후, 각각의 웨이퍼를 기계적 폴리싱 하였다.
두께가 얇은 초박형 웨이퍼의 파단강도를 측정하는 방법은 아직까지 표준 시험규격으로 정의되어 있지 않으며, 압입 방식의 ball breaker test[9]와 point load test[10] 등이 제안되어 사용되고 있으며, 본 연구에서는 볼브레이커 시험법을 사용하여 파단강도를 구하였다. 웨이퍼를 4 mm × 4 mm 크기로 절단(dicing)하여 한 장의 웨이퍼에서 약 330개의 실리콘 다이(볼브레이커 강도 측정 시편)을 준비하였다. 웨이퍼 절단 시 반도체 제조 공정에서 사용되는 UV-테이프를 사용하여 웨이퍼를 접착 후 auto dicer를 이용해 기계적으로 절단하였다.

데이터처리

4. 표면조건에 따른 파단강도의 통계적 해석을 위해, 한 개의 웨이퍼에서 실험적으로 측정한 약 330개의 다이 파단강도 데이터를 이용하여 와이블 선도를 구하였다. 이로부터 파괴확률이 반영된 통계적 특정수명강도값(와이블 크기인자)를 얻을 수 있었으며, 이를 이용하면 강도 분포가 넓은 취성 실리콘 재료의 신뢰성 있는 파괴특성 평가가 가능할 것으로 생각된다.
표면조건이 다른 웨이퍼의 볼브레이커 파단강도 분포에 대해 와이블 통계 해석을 적용하였다. Fig.

성능/효과

2. 웨이퍼의 두께가 감소함에 따라 볼브레이커 파단강도는 두께의 지수함수적으로 급격하게 증가하였으며, 이를 취성재료에서 나타나는 크기효과에 의한 영향으로 고찰하였다.
3. 표면거칠기가 작을수록 파단강도는 급격히 증가하는 경향을 보여, 실리콘 다이의 파단강도는 표면상태에 매우 민감하게 영향을 받음을 확인하였다.
한장의 웨이퍼 내에서 볼브레이커 파단강도 분포를 분석한 결과, 파단하중은 매우 넓은 범위의 값을 가졌으며, 웨이퍼 내에서 부위에 따라서는 강도분포 특이성 없이 무작위적으로 분포하였다. 파단하중이 낮게 측정된 실리콘 다이는 2~4개의 조각으로 파단되는 저에너지 파단 특성을 보인반면, 파단하중이 높은 시험편은 여러 방향으로 균열이 전파하여 매우 많은 조각으로 파단되는 고에너지 파단 양상을 나타내었다.

후속연구

표면조건에 따른 파단강도의 통계적 해석을 위해, 한 개의 웨이퍼에서 실험적으로 측정한 약 330개의 다이 파단강도 데이터를 이용하여 와이블 선도를 구하였다. 이로부터 파괴확률이 반영된 통계적 특정수명강도값(와이블 크기인자)를 얻을 수 있었으며, 이를 이용하면 강도 분포가 넓은 취성 실리콘 재료의 신뢰성 있는 파괴특성 평가가 가능할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 다이 파단강도 평가 시 파단확률을 고려한 통계적 파단강도 해석법을 적용할 필요가 있는 이유는 무엇인가?	따라서 반도체 패키지의 기계적 신뢰성 향상을 위해서는, 반도체에 사용되는 실리콘 다이의 파괴특성 평가가 매우 중요하다[6, 7]. 실리콘 다이는 전형적인 취성재료로서 확률적 파단이 일어나므로, 파단강도 평가 시에 파단확률을 고려된 통계적 파단강도 해석법을 적용할 필요가 있다[8].
	두께 100 µm 이하의 실리콘 웨이퍼 사용 증가로 어떤 문제가 발생하고 있는가?	이전에는 주로 수백 µm 두께의 실리콘 웨이퍼가 사용되었으나, 최근에는 3차원 패키지나 적층 다이 패키지 기술 등이 적용됨에 따라 두께가 100 µm 또는 그 이하의 얇은 웨이퍼를 사용하는 경우가 증가하고 있다. 그러나 최근 보고에 의하면 두께 100 µm 이하의 초박형 웨이퍼의 사용 증가로 인해 제조 공정 및 사용 과정에서 반도체 부품 파손 현상은 점점 더 증가하고 있으며, 공정 중의 실리콘 다이 파손은 생산 수율 및 신뢰성을 감소시키는 주요 요인이 된다[3, 4].
	반도체 공정에서 실리콘 웨이퍼 두께 감소를 위해 어떤 공정을 적용하는가?	실제 반도체 공정에서는 실리콘 웨이퍼는 두께 감소를 위해 기계적 그라인딩, 화학적 연마, 플라즈마 에칭 등의 공정을 적용하고 있으며, 실리콘 다이(die)의 제작을 위해 웨이퍼의 기계적 절단(dicing) 공정이 필요하다. 이러한 공정 중에서 표면 균열 등의 결함이 도입되며, 균열은 취성 재료인 실리콘 다이의 파괴특성에 치명적인 영향을 준다.

참고문헌 (15)

J. D. Wu, C. Y. Huang and C. C. Liao : Microelectronics Reliab., 43 (2003) 269.

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H. H. Jiun and G. Omar : Microelectronics Reliab., 46 (2006) 836.

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Z. Chen, J. B. Han and N. X. Tan : Journal of Electronic Packaging, 125 (2003) 115.
Y. K. Min and J. W. Byeon : J. Microelectron. Packag. Soc., 18 (2011) 15.
J. N. Calata, J. G. Bai, X. Liu, S. Wen and G. Q. Lu : IEEE Transactions on Advanced Packaging, 28 (2005) 404.

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P. A. Wang : IEEE Proceedings of the Fourth World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, (2006) 1179.
N. M. Lellan, N. Fan, S. Liu, K. Lau and J. Wu : ASME J Electron. Packag., 126 (2004) 110.

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J. Paul, B. Majeed, K. M. Razeeb, and J. Barton : Acta Materiallia, 54 (2006) 3991.

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G. Omar, N. Tamaldin, M. R. Muhamad, and T. C. Hock : IEEE, Semiconductor Electronics Proceedings ICSE International Conference (2000) 147.
M. Y. Tsai, and C. H. Chen : Microelectronics Reliab., 48 (2008) 933.

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P. H. DeHoff, K. J. Anusavice, and P. W. Hathcock : J. Dent. Res., 61 (1982) 1066.

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T. K. Woo, Y. H. Kim, H. S. Ahn, and S. I. Kim : J. Microelectron. Packag. Soc., 16 (2009) 61.
M. K. Choi, and E. K. Kim : J. Microelectron. Packag. Soc., 15 (2008) 63.
Y. Desmond, R. Chong, W. E. Lee, and B. K. Lim : IEEE Inter. Society Conference on Thermal Phenomena (2004) 203.
ASTM C 1161-02C (1990).

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