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수치해석을 이용한 구리기둥 범프 플립칩 패키지의 열압착 접합 공정 시 발생하는 휨 연구
Numerical Analysis of Warpage Induced by Thermo-Compression Bonding Process of Cu Pillar Bump Flip Chip Package 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.41 no.6, 2017년, pp.443 - 453  

권오영 (서울과학기술대학교 대학원 스마트생산융합시스템공학과) ,  정훈선 (서울과학기술대학교 나노IT디자인 융합기술대학원) ,  이정훈 (서울과학기술대학교 나노IT디자인 융합기술대학원) ,  좌성훈 (서울과학기술대학교 나노IT디자인 융합기술대학원)

초록
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반도체 플립칩 패키지에서 구리기둥 범프 기술은 미세 피치 및 높은 I/O 밀도로 인해 기존의 솔더 범프 접합 기술을 대체하는 중이다. 그러나 구리기둥 범프는 리플로우 접합 공정 사용 시, 구리 범프의 높은 강성으로 인해 패키지에 높은 응력을 초래한다. 따라서 최근에 플립칩 공정에서 발생하는 패키지의 높은 응력 및 휨을 감소시키기 위해 열압착 공정 기술이 시도되고 있다. 본 연구에서는 플립칩 패키지의 열압착 공정과 리플로우 공정에서 발생하는 휨에 대해 수치해석을 이용하여 분석하였다. 패키지의 휨 최소화를 위한 본딩 공정 조건 최적화를 위해 본딩 툴 및 스테이지의 온도, 본딩 압력에 대한 휨 영향을 검토하였다. 또한 칩과 기판의 면적 및 두께가 패키지의 휨에 주는 영향을 분석하였다. 이를 통해, 향후 미세피치 접합부 형성 시 휨 및 응력을 최소화하기 위한 가이드라인을 제시하고자 하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In flip chip technology, the conventional solder bump has been replaced with a copper (Cu) pillar bump owing to its higher input/output (I/O) density, finer pitch, and higher reliability. However, Cu pillar bump technology faces several issues, such as interconnect shorting and higher low-k stress d...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 구리기둥 범프 플립칩 패키지의 칩 접합 공정인 열압착 공정과 리플로우 공정에서 발생하는 패키지의 휨에 대해 유한요소해석을 수행하였다. 열압착 공정의 최적 온도 조건을 도출하기 위하여 범프 모델의 열전달 해석을 진행하였으며, 접합 공정 조건 및 패키지 크기 변화 등을 통한 휨의 경향에 대해 분석하였다.
  • 본 연구에서는 구리기둥 범프를 사용한 플립칩 패키지의 열압착 공정에서 발생하는 휨의 경향을 수치해석을 사용하여 관찰하였다. 또한 열압착공정과 리플로우 공정에서 발생하는 패키지의 휨을 비교 분석하였다.
  • 또한 온도가 너무 낮은 경우 솔더가 적절히 용융되지 않아 접합부의 불량을 초래한다. 본 연구에서는 본딩 툴의 온도는 200 ℃에서 400 ℃, 본딩 스테이지의 온도는 각각 70 ℃, 90 ℃일 때에 대해 열 분포를 분석하여 최적의 본딩 온도 조건을 구하고자 하였다.
  • 본 장에서는 열압착 공정 조건의 변화가 패키지의 휨에 어떠한 영향을 주는지 관찰하였다. 변화시킨 공정 조건에는 본딩 툴 온도, 스테이지온도 및 본딩 압력이다.
  • 또한 패키지를 구성하는 칩과 PCB 기판의 면적 및 두께 변화에 따른 패키지의 휨을 분석하였다. 이를 통해 플립칩 패키지에서 구리기둥 범프와 열압착 공정을 이용한 접합부 형성 시, 패키지의 휨을 최소화하기 위한 가이드라인을 제시하고자 하였다.

가설 설정

  • 또한 열전달 해석 시, 외부 공기와 접촉하고 있는 부분에 대해서는 10 W/m2·K를 대류계수(convection coefficient)로 가정하였다.
  • NCP는 접합 전에 액체 상태, 접합 후는 경화가 된 고체 상태로 물성이 다르기 때문에 이를 고려하기 위하여, NCP를 구성하고 있는 요소들에 대해 요소 생성법(element birth and death)을이용하였다. 해석을 수행할 시에는 스트레스가 없다고 가정하는 온도인 스트레스-프리(stress-free)온도를 Sn3.5Ag 솔더가 녹는 온도인 220 ℃로 가정하였다. 또한 열전달 해석 시, 외부 공기와 접촉하고 있는 부분에 대해서는 10 W/m2·K를 대류계수(convection coefficient)로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
구리기둥 범프의 장점은 무엇인가? 구리기둥 범프는 솔더 범프에 비해 강도가 높고, 일렉트로마이그레이션(electromigration)에 대한 저항성이 우수하며, 높은 범프 종횡비(aspect ratio)로 형성하는 것이 가능하기 때문에, 현재 최소 20 ㎛의 범프 피치와 같은 초미세피치 형성이 가능하다고 보고되고 있다.(2,5) 범프 피치가 감소하면 패키지 집적도가 증가하며 칩에서 한 번에 처리할 수 있는 I/O의 수가 증가하게 된다.
열과 전기적으로 우수한 특성을 가진 구리기둥 범프의 개발이 진행된 배경은 무엇인가? 이에 따라, 솔더 범프(solder bump)를 사용하여 칩과 기판을 전기적으로 연결시키는 공정 기술인 플립칩 접합(flip-chip bonding) 기술이 전기적 성능 향상, 폼펙터(form factor) 감소와 배선 밀도 증가 등의 장점으로 와이어 본딩(wire bonding)에 비해 점점 중요성이 대두되고 있다.(1) 그러나 반도체 패키지의 고성능 및 소형화의 추세로 솔더 범프 피치(pitch)가 점점 감소하게 되어 약 150 ㎛ 피치 이하의 솔더 범프를 형성하게 되면, 솔더 리플로우(solder reflow) 과정에서 솔더가 녹아 인접한 솔더와 서로 브리징(bridging)이 발생하여 전기적 합선(shorting)이 되는 문제가 발생한다.(2,3) 이러한 기술적 한계를 해결하기 위하여 수 년 전부터 열과 전기적으로 우수한 특성을 가진 구리기둥 범프(copper pillar bump)의 개발이 진행되어 왔으며, 최근 수년 사이 솔더 범프 대신 구리기둥 범프로 대체되고 있는 실정이다.
플립칩 접합기술이란 무엇인가? 최근, 노트북, 스마트폰, 태블릿PC 등의 휴대용 전자기기의 급격한 발전으로 인하여 반도체 패키지의 저전력, 고성능, 경량화 및 소형화가 크게 요구되고 있다. 이에 따라, 솔더 범프(solder bump)를 사용하여 칩과 기판을 전기적으로 연결시키는 공정 기술인 플립칩 접합(flip-chip bonding) 기술이 전기적 성능 향상, 폼펙터(form factor) 감소와 배선 밀도 증가 등의 장점으로 와이어 본딩(wire bonding)에 비해 점점 중요성이 대두되고 있다.(1) 그러나 반도체 패키지의 고성능 및 소형화의 추세로 솔더 범프 피치(pitch)가 점점 감소하게 되어 약 150 ㎛ 피치 이하의 솔더 범프를 형성하게 되면, 솔더 리플로우(solder reflow) 과정에서 솔더가 녹아 인접한 솔더와 서로 브리징(bridging)이 발생하여 전기적 합선(shorting)이 되는 문제가 발생한다.
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참고문헌 (26)

  1. Nam, H. W., 2004, "Robust Design and Thermal Fatigue Life Prediction of Anisotropic Conductive Film Flip Chip Package," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 28, No. 9, pp. 1408-1414. 

  2. Hsieh, M. C., Lee, C. C. and Hung, L. C., 2013, "Comprehensive Thermo-Mechanical Stress Analyses and Underfill Selection of Large Die Flip Chip BGA," IEEE Trans. Compon. Packag. Manuf. Technol., Vol. 3, No. 7, pp. 1155-1162. 

  3. Cheng, R., Wang, M., Kuo, R. H., Chen, E., Chuang, I. C., Pai, B., Chang, J. and Cheung, C., 2015, "FC Cu Pillar Package Development for Broad Market Applications," Proc. 65th Electron. Comp. Technol. Conf., pp. 609-614. 

  4. Kim, M. S., Ko, Y. H., Bang, J. H. and Lee, C. W., 2012, "The Chip Bonding Technology on Flexible Substrate by Using Micro Lead-free Solder Bump," J. Microelectron. Packag. Soc., Vol. 19, No. 3, pp. 15-20. 

  5. Cassier, A., Zhao, L., Syed, A., Bezuk, S., Miller, W., Leong, A. and Slessor, M., 2014, "Reliable Testing of Cu Pillar Technology for Smart Devices," Chip Scale Review, Vol. 18, No. 5, pp. 22-27. 

  6. Park, J., Kim, Y., Na, S., Kim, J., Lee, C. H. and Nicholls, L., 2015, "High Reliability Packaging Technologies and Process for Ultra Low k Flip Chip Devices," Proc. 65th Electron. Comp. Technol. Conf., pp. 1-6. 

  7. Hsieh, M. C., Lee, C. C., Hung, L. C., Wang, V. and Perng, H., 2011, "Parametric Study for Warpage and Stress Reduction of Variable Bump Types in fcFBGA," Proc. 6th Inter. Microsys. Packag. Assemb. Circuits Technol. Conf., pp. 115-118. 

  8. Kim, M. Y., Lim, S. K. and Oh, T. S., 2010, "Thermal Cycling and High Temperature Storage Reliabilities of the Flip Chip Joints Processed Using Cu Pillar Bumps," J. Microelectron. Packag. Soc, Vol. 17, No. 3, pp. 27-32. 

  9. Hsieh, M. C., Lee, C. C. and Hung, L. C., 2013, "Comprehensive Thermomechanical Analyses and Validations for Various Cu Column Bumps in fcFBGA," IEEE Trans. Compon. Packag. Manuf. Technol. Conf., Vol. 3, No. 1, pp. 61-70. 

  10. Cheng, P. J., Wu, W. C., Wang, W. J. and Pai, T. M., 2015, "Challenge and Process Optimization of Thermal Compression Bonding with Non Conductive Paste," Proc. 65th Electron. Comp. Technol. Conf., pp. 484-489. 

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  23. Smet, V., Huang, T. C., Kawamoto, S., Singh, B., Sundaram, V., Raj, P. M. and Tummala, R., 2015, "Interconnection Materials, Processes and Tools for Fine-pitch Panel Assembly of Ultra-thin Glass Substrates," Proc. 65th Electron. Comp. Technol. Conf., pp. 475-483. 

  24. JEDEC Standard No. 22-B112A, 2009, "Package Warpage Measurement of Surface-Mount Integrated Circuits at Elevated Temperature." 

  25. Pan, C. A., Wu, M. Y., Lee, C. W., Lo, R., Wang, Y. P. and Hsiao, C. S., 2014, "TCBNCP Process Impact on Package Warpage Performance," Proc. 9th Inter. Microsys. Packag. Assemb. Circuits Technol. Conf., pp. 146-149. 

  26. Li, M., Tian, D. W., Cheung, Y. M., Yang, L. and Lau, J. H., 2015. "A High Throughput and Reliable Thermal Compression Bonding Process for Advanced Interconnections," 2015 Electron. Comp. Technol. Conf., pp. 603-608. 

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