FOWLP 적용을 위한 Cu 재배선과 WPR 절연층 계면의 정량적 계면접착에너지 측정방법 비교 평가 Comparison of Quantitative Interfacial Adhesion Energy Measurement Method between Copper RDL and WPR Dielectric Interface for FOWLP Applications원문보기
Fan-outwafer level packaging (FOWLP) 적용을 위한 최적의 Cu 재배선 계면접착에너지 측정방법을 도출하기 위해, 전기도금 Cu 박막과 WPR 절연층 계면의 정량적 계면접착에너지를 $90^{\circ}$ 필 테스트, 4점 굽힘 시험법, double cantilever beam (DCB) 측정법을 통해 비교 평가 하였다. 측정 결과, 세 가지 측정법 모두 배선 및 패키징 공정 후 박리가 일어나지 않는 산업체 통용 기준인 $5J/m^2$보다 높게 측정되었다. 또한, DCB, 4점 굽힘 시험법, $90^{\circ}$ 필 테스트 순으로 계면접착에너지가 증가하는 거동을 보였는데, 이는 계면파괴역학 이론에 의해 위상각 증가에 따라 이종재료 계면균열 선단의 전단응력성분 증가에 따른 소성변형에너지 및 계면 거칠기 증가 효과에 의한 것으로 설명이 가능하다. FOWLP 재배선에 대한 최적의 계면접착에너지 도출을 위해서는 시편제작 공정, 위상각 차이, 정량적 측정 정확도 및 결합력 크기 등을 고려하여 4점 굽힘 시험법 또는 DCB 측정법을 적절히 혼용 사용하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
Fan-out wafer level packaging (FOWLP) 적용을 위한 최적의 Cu 재배선 계면접착에너지 측정방법을 도출하기 위해, 전기도금 Cu 박막과 WPR 절연층 계면의 정량적 계면접착에너지를 $90^{\circ}$ 필 테스트, 4점 굽힘 시험법, double cantilever beam (DCB) 측정법을 통해 비교 평가 하였다. 측정 결과, 세 가지 측정법 모두 배선 및 패키징 공정 후 박리가 일어나지 않는 산업체 통용 기준인 $5J/m^2$보다 높게 측정되었다. 또한, DCB, 4점 굽힘 시험법, $90^{\circ}$ 필 테스트 순으로 계면접착에너지가 증가하는 거동을 보였는데, 이는 계면파괴역학 이론에 의해 위상각 증가에 따라 이종재료 계면균열 선단의 전단응력성분 증가에 따른 소성변형에너지 및 계면 거칠기 증가 효과에 의한 것으로 설명이 가능하다. FOWLP 재배선에 대한 최적의 계면접착에너지 도출을 위해서는 시편제작 공정, 위상각 차이, 정량적 측정 정확도 및 결합력 크기 등을 고려하여 4점 굽힘 시험법 또는 DCB 측정법을 적절히 혼용 사용하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
The quantitative interfacial adhesion energy measurement method of copper redistribution layer and WPR dielectric interface were investigated using $90^{\circ}$ peel test, 4-point bending test, double cantilever beam (DCB) measurement for FOWLP Applications. Measured interfacial adhesion ...
The quantitative interfacial adhesion energy measurement method of copper redistribution layer and WPR dielectric interface were investigated using $90^{\circ}$ peel test, 4-point bending test, double cantilever beam (DCB) measurement for FOWLP Applications. Measured interfacial adhesion energy values of all three methods were higher than $5J/m^2$, which is considered as a minimum criterion for reliable Cu/low-k integration with CMP processes without delamination. Measured energy values increase with increasing phase angle, that is, in order of DCB, 4-point bending test, and $90^{\circ}$ peel test due to increasing roughness-related shielding and plastic energy dissipation effects, which match well interfacial fracture mechanics theory. Considering adhesion specimen preparation process, phase angle, measurement accuracy and bonding energy levels, both DCB and 4-point bending test methods are recommended for quantitative adhesion energy measurement of RDL interface depending on the real application situations.
The quantitative interfacial adhesion energy measurement method of copper redistribution layer and WPR dielectric interface were investigated using $90^{\circ}$ peel test, 4-point bending test, double cantilever beam (DCB) measurement for FOWLP Applications. Measured interfacial adhesion energy values of all three methods were higher than $5J/m^2$, which is considered as a minimum criterion for reliable Cu/low-k integration with CMP processes without delamination. Measured energy values increase with increasing phase angle, that is, in order of DCB, 4-point bending test, and $90^{\circ}$ peel test due to increasing roughness-related shielding and plastic energy dissipation effects, which match well interfacial fracture mechanics theory. Considering adhesion specimen preparation process, phase angle, measurement accuracy and bonding energy levels, both DCB and 4-point bending test methods are recommended for quantitative adhesion energy measurement of RDL interface depending on the real application situations.
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제안 방법
(a)와같이 50×80 mm2크기로 시편을 자른 후, 20 N 로드셀이 장착된 90° 필 테스트 시험기 지그에 금속박막을 고정시켜 50 mm/min 속도로 박막을 박리시켜 계면접착에너지 값을 도출하였다.
(b)와 같이 제작된 시편인 4인치 웨이퍼와 동일한 크기의 평판 Si 웨이퍼를 마주보게 정렬하여 에폭시 레진(Epo-Tek 353ND)을 도포하여 120oC에 2시간 열처리를 진행하여 접합 시킨 후 다이아몬드 블레이드를 이용하여 3 × 30 mm2 크기로 다이싱을 진행하였다.
(c)와 같이 평판 Si 웨이퍼와 Cu/Ti/WPR 박막을 증착한 Si 웨이퍼를 다이아몬드 블레이드를 이용하여 10 × 40 mm2 크기로 다이싱을 진행한 후, 평판 Si 웨이퍼에 에폭시 레진(Epo-Tek 353ND)을 도포하여 Cu/Ti/WPR을 증착한 웨이퍼와 붙여 120oC에서 2시간 열처리를 진행하여 접합 하였다.
15,16) 500 μm 두께의 4인치 Si 웨이퍼에 WPR1021 절연체를 스핀 코터를 사용하여 3 μm의 두께를 형성시킨 후 200oC에 2시간 대기 중에서 열처리를 진행하였다.
20 N 로드셀을 이용하여 로딩 속도는 0.08 μm/s, 핀 간 거리는 5 mm로 설정한 후 실험을 진행하여 계면접착에너지 값을 도출하였다.
Cu 재배선층 두께를 형성하기 위해 Cu 전기도금을 실시했 는데, CuSO4 용액에 H2SO4 , HCl, 첨가제를 넣고 충분히 교반 시킨 용액에서 전류밀도를 20 mA/cm2, 1 cm의 극간 거리를 유지하여 10, 70분간 각각 실시하여 2 μm, 15 μm의두 가지 두께로 Cu 재배선 두께의 박막을 형성하였다.
Cu/Ti/WPR 시편의 정량적인 계면접착에너지를 측정하기 위해 O2 플라즈마 60초 처리한 샘플을 이용하여 90° 필 테스트, 4점 굽힘 시험법, DCB 측정법을 진행하였다.
DCB 측정법에 사용된 로딩 속도는 2 μm/s로 일정하게 하여 하중을 가하여 계면접착에너지 값을 도출하였다.
FOWLP 적용을 위한 Cu 도금막과 WPR 절연층 계면의 정량적 계면접착에너지 측정방법 비교 평가를 위해 90º필 테스트, 4점 굽힘 시험법, DCB 측정법을 실시하 였다.
FOWLP 적용을 위한 Cu 도금막과 WPR 절연층 계면의 정량적 계면접착에너지 측정방법 비교 평가를 위해 Fig. 1과 같은 구조의 시편을 제작하였다. JSR사의 WPR1021 절연체는 전기 및 기계적 특성이 우수하고 비용이 저렴한 재료이기 때문에 FOWLP 기술에서 사용되는 물질 중 하나이다.
Ti 의 두께가 50 nm로 매우 얇기 때문에 EDS 상 Ti 조성 분석의 정확도가 떨어지므로, 보다 정확한 박리 계면 분석을 위해 90º필 테스트 후 박리된 표면에 대한 XPS wide scan 분석을 실시하여 Fig. 6에 나타내었다.
15,16) 500 μm 두께의 4인치 Si 웨이퍼에 WPR1021 절연체를 스핀 코터를 사용하여 3 μm의 두께를 형성시킨 후 200oC에 2시간 대기 중에서 열처리를 진행하였다. Ti 증착 전에 WPR과 Ti의 접착력을 향상시키기 위해 WPR 표면에 O2플라즈마 처리를 60초 실시 하였다. 플라즈마 처리 후, 스퍼터를 이용하여 50 nm 두께의 Ti와 100 nm의 두께의 Cu 씨앗층을 형성하였다.
10-13) 90º필 테스트, 4점 굽힘 시험법, DCB 측정법이 완료된 시편의 박리된 계면을 분석하기 위해 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM) 및 에너지 분산형 분광기(energy dispersive spectroscopy, EDS)를 이용하였으며, 정확한 파면 확인을 위해 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)를 이용하였다. XPS 분석은 Thermo Fisher Scientific Mulilab-2000사의 장비를 사용 하여 분석하였으며, 결합에너지는 C 1s의 C-C 결합(284.7 eV)을 기준으로 하였다.
따라서, 본 연구에서는 90º필 테스트, 4점 굽힘 시험법, DCB 측정법을 이용하여 FOWLP 적용을 위한 Cu 도금막과 WPR 절연층 계면의 정량적 계면접착에너지를 측정하고, 상호 비교 평가하였다.
1(c)와 같이 평판 Si 웨이퍼와 Cu/Ti/WPR 박막을 증착한 Si 웨이퍼를 다이아몬드 블레이드를 이용하여 10 × 40 mm2 크기로 다이싱을 진행한 후, 평판 Si 웨이퍼에 에폭시 레진(Epo-Tek 353ND)을 도포하여 Cu/Ti/WPR을 증착한 웨이퍼와 붙여 120oC에서 2시간 열처리를 진행하여 접합 하였다. 또한 초기 균열 진전을 유도하기 위해 에폭시 레진 도포 시 약 10 mm정도 초기 균열을 제작하였다. DCB 측정법 시편 양쪽에 DP-420 접착제를 사용하여 알루미늄 로딩 탭(tab) 을 접착시킨 후, 80 ℃에서 30분간 열처리를 진행하였다.
또한 초기 균열진전을 유도하기 위해 Cu/Ti/WPR을 증착한 웨이퍼에 깊이 400 μm의 노치를 형성하였다.
먼저, 90º필 테스트를 이용하여 금속 박막과 WPR 사이의 계면접착에너지(G) 값을 측정하였으며, Fig. 2에 나타내었다.
세번째 방법인 DCB 측정법을 이용하여 금속 박막과 WPR 사이의 계면접착에너지(G)를 도출하였으며, Fig. 4에 나타내었다.
4에 나타내었다. 이 시험법은 벌크 탄성 재료의 파괴 인성 치를 측정하는 원리를 이용하였으며, 금속 박막이 증착된 Si 빔과 평판 Si 웨이퍼를 붙인 후 하중을 가함으로써 접착력을 계면접착에너지(G) 또는 계면 파괴 인성치를 구할 수 있다. 식 (5)과 (6)의 이용하여 계면접착에너지를 도출한다.
이론/모형
10-13) 90º필 테스트, 4점 굽힘 시험법, DCB 측정법이 완료된 시편의 박리된 계면을 분석하기 위해 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM) 및 에너지 분산형 분광기(energy dispersive spectroscopy, EDS)를 이용하였으며, 정확한 파면 확인을 위해 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)를 이용하였다.
성능/효과
(a)는 90º필 테스트 박리 파면이며, 박리된 금속 표면에서 다량의 Cu 원소가 검출되었으며, C와 Ti도 소량으로 검출되었고, 박리된 WPR 표면에는 C와 Si이 다량 검출되었으며, O도 소량으로 검출된 것을 알 수있었다.
2) 따라서, 입출력 밀도를 높일 수 있고 전기적 성능을 향상 시키며, 칩(chip) 크기에 제약을 받지 않고 능동 및 수동 등 다종 소자 집적화에 유리하여 시스템 디자인의 유연성이 매우 높다는 것이 장점이다.1) FOWLP 재배선 구조는 고분자 절연층과 전기도금 Cu 재배선의 적층으로 구성되어 있다. 절연층은 저온 경화성 고분자 재료인데 낮은 온도에서 경화 되야 하면서 동시에 우수한 내열성 및 Cu 재배선과의 높은 접착력을 가지며, 신뢰성 테스트 후다층 구조의 다양한 계면들에서의 신뢰성이 우수해야 한다.
노치(notch)를 내 주어야 하고, Si 웨이퍼 위에 박막을 형성 후 웨이퍼 접합 공정 등의 추가공정이 필요하다. 8,9) 셋째, DCB 측정법은 4점 굽힘 시험법과 동일하게 취성 기판상 매우 얇은 박막 구조에서의 계면접착에너지 측정에 용이하지만, 비교적 두꺼운 박막구조의 보다 강한 계면접착에너지 측정이 가능하다는 장점이 있다.10-13) FOWLP 구조 내 Cu 재배선과 절연층 계면에 대한 최근 보고된 계면 접착 평가 방법으로 simple tape test (ASTM D3359-09) 및 필 테스트를 사용했다는 보고들이 일부 있으나,3,14) 자세한 평가 방법에 대한 고찰 없이 상대비교 목적으로만 사용되고, 보다 체계적이고 정량으로 계면접착력에너지를 평가 및 분석한 연구는 매우 미흡한 실정이다.
90º필 테스트 및 4점 굽힘 시험 시편은 Ti와 WPR 계면에서 박리가 일어난 것을 재 확인하였다.
그 결과, WPR 화학 구조는 C-O-N, C-N-H3CO, C=N 결합으로 이루어져 있으므로 주성분인 C, Si, N, O가 각각 67.59, 13.47, 2.38, 16.55% 검출되었다.
따라서 Cu와 에폭시 레진 계면에서 박리가 일어난 것을 확인하였으며, 측정된 계면접착에너지 값은 Ti와 WPR 계면 보다 약한 Cu와 adhesive 계면에서 박리가 일어났을 때 측정된 값이므로, Ti와 WPR 계면 접착에너지는 4.8±0.6 J/m2보다 높을 것으로 판단된다.
따라서, 90º필 테스트와 4점 굽힘 시험법 시편의 박리 계면은 Ti와 WPR 계면에서 박리가 일어난 것을 확인하였다.
반면에, 4점 굽힘 시험법 또는 DCB 측정법은 실제 RDL 재배선 도금 두께를 사용할 수 있고, 필 테스트의 주요 오차 유발 요인들이 없으므로 보다 유리하다. 따라서, FOWLP 재배선에 대한 최적의 계면접착 에너지 도출을 위해서는 시편제작 공정, 위상각 차이, 정량적 측정 정확도, 계면결합에너지 크기 등을 등을 고려하여 4점 굽힘 시험법 또는 DCB 측정법을 적절히 혼용사용하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
특히, 4점 굽힘 시험법은 혼합모드(mixed mode)에서 비교적 약한 계면결합 에너지를 갖는 구조에 유리하고, DCB 측정법은 거의 순수 인장모드에서 강한 계면결합에너지도 측정 가능한 장점이 있다. 따라서, FOWLP 재배선에 대한 최적의 계면 접착에너지 도출을 위해서는 시편제작 공정, 위상각 차이, 정량적 측정 정확도, 계면결합에너지 크기 등을 등을고려하여 4점 굽힘 시험법 또는 DCB 측정법을 적절히 혼용 사용하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
박리가 일어나는 동안 소요 되는 Cu 박막에 대한 항복강도와 탄성계수를 도출하기 위해 폴리이미드 위에 스퍼터 장비를 이용하여 20 nm의두께 Cu를 증착한 후, 도금으로 15 μm두께의 Cu 형성 후, hydrazine monohydrate solution으로 폴리이미드 제거하고 인장시험을 통해 항복강도와 탄성계수를 구한 결과, 각각 271.3 N/mm2, 80.1 GPa이 도출되었으며, 탄성계수는 N/mm2 으로 단위 환산한 결과, 80107.3 N/mm2 이 도출되었다.
후속연구
본 방법에서는 필링되는 금속박막을 순수한 굽힘 빔과 탄성-완전 소성재료로 가정한 소성 변형에너지(Ψ) 계산 및 카메라를 통한 균열선단의 최대 곡률(KB) 측정에 대한 오차가 적지 않은 한계를 가지고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
FOWLP 기술이란 무엇인가?
Wafer level package(WLP) 기술은 1990년대 후반 wafer level chip scale package(WLCSP) 기술부터 시작된 기술로 저가격, 고성능, 소형, 다기능, 고밀도의 요구로 현재 fan-out wafer lever packaging(FOWLP) 기술까지 많은 발전을 해왔다.1) FOWLP 기술은 기판을 사용하지 않고 캐리어 및 몰드 컴파운드를 이용하여 칩을 단일 또는 다중으로 배치할 수 있으며, 칩 바깥쪽으로 입출력(input/ output) 단자를 배치시킬 수 있는 최신 패키징 기술이다.2) 따라서, 입출력 밀도를 높일 수 있고 전기적 성능을 향상 시키며, 칩(chip) 크기에 제약을 받지 않고 능동 및 수동 등 다종 소자 집적화에 유리하여 시스템 디자인의 유연성이 매우 높다는 것이 장점이다.
FOWLP 기술의 장점은 무엇인가?
1) FOWLP 기술은 기판을 사용하지 않고 캐리어 및 몰드 컴파운드를 이용하여 칩을 단일 또는 다중으로 배치할 수 있으며, 칩 바깥쪽으로 입출력(input/ output) 단자를 배치시킬 수 있는 최신 패키징 기술이다.2) 따라서, 입출력 밀도를 높일 수 있고 전기적 성능을 향상 시키며, 칩(chip) 크기에 제약을 받지 않고 능동 및 수동 등 다종 소자 집적화에 유리하여 시스템 디자인의 유연성이 매우 높다는 것이 장점이다.1) FOWLP 재배선 구조는 고분자 절연층과 전기도금 Cu 재배선의 적층으로 구성되어 있다.
고분자 절연층에 요구되는 성능은 무엇인가?
1) FOWLP 재배선 구조는 고분자 절연층과 전기도금 Cu 재배선의 적층으로 구성되어 있다. 절연층은 저온 경화성 고분자 재료인데 낮은 온도에서 경화 되야 하면서 동시에 우수한 내열성 및 Cu 재배선과의 높은 접착력을 가지며, 신뢰성 테스트 후다층 구조의 다양한 계면들에서의 신뢰성이 우수해야 한다. FOWLP는 항온/항습 시험, 열 사이클 시험, 등온열처리시험 등과 같은 신뢰성 시험이 필수적이며, 신뢰성 테스트의 가혹한 조건을 극복하기 위해 저온 경화성 크로스 링커, 접착 촉진제 및 내구성이 우수한 레진을 도입하여 절연체와 Cu 재배선 사이의 전기적 결함과 박리가 일어나지 않도록 개발되고 있다.
참고문헌 (25)
S. E. Kim, "Heterogeneous Device Packaging Technology for the Internet of Things Applications", J. Microelectron. Packag. Soc., 23(3), 1 (2016).
E. J. Vardaman, "FO-WLP Market and Technology Trends", Proc. 2017 International Conference on Electronics Packaging (ICEP), Tendo, 318, IEEE (2017).
T. Fujiwara, Y. Shoji, Y. Masuda, K. Hashimoto, Y. Koyama, K. Isobe, H. Araki, R. Okuda, and M. Tomikawa, "Higher Reliability for Low-temperature Curable Positive-Tone Photo-definable Dielectric Materials", Proc. 19th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC), Singapore, IEEE (2017).
V. S. Rao, C. T. Chong, D. Ho, and D. M. Zhi, "Process and Reliability of Large Fan-Out Wafer Level Package based Package-on-Package", Proc. 67th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), San Diego, IEEE (2017).
Z. Chen, F. Che, M. Z. Ding, D. S. W. Ho, T. C. Chai, and V. Srinivasa, "Drop Impact Reliability Test and Failure Analysis for Large Size High Density FOWLP Package on Package", Proc. 67th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), San Diego, IEEE (2017).
K. S. Kim, and N. Aravas, "Elastoplastic analysis of the peel test", Int. J. Solids Struct., 24(4), 417 (1988).
S. C. Park, J. H. Lee, J. W. Lee, I. H. Lee, S. E. Lee, B. I. Song, Y. K. Chung, and Y. B. Park, "Effect of Ar+ RF Plasma Treatment Conditions on Interfacial Adhesion Energy Between Cu and ALD Al 2 O 3 Thin Films for Embedded PCB Applications", J. Microelectron. Packag. Soc., 14(1), 61 (2007).
R. Shaviv, S. Toham, and P. Woytowitz, "Optimizing the Precision of the Four-point Bend Test for the Measurement of Thin-film Adhesion", Microelectronic Eng., 82(2), 99 (2005).
E. J. Jang, S. Pfeiffer, B. Kim, T. Matthias, S. M. Hyun, H. J. Lee, and Y. B. Park, "Effect of Post-Annealing Conditions on Interfacial Adhesion Energy of Cu-Cu Bonding for 3-D IC Integration", Korean J. Mater. Res., 18(4), 204 (2008).
I. H. Lee, S. H. Kim, J. H. Yun, I. K. Park, and T. S. Kim, "Interfacial toughening of solution processed Ag nanoparticle thin films by organic residuals", Nanotechnology, 23(48), 1 (2012).
R. J. Hohlfelder, D. A. Maidenberg, and R. H. Dauskardt, "Adhesion of benzocyclobutene-passivated silicon in epoxy layered structures", J. Mater. Res., 16(1), 243 (2001).
M. F. Kanninen, "An augmented double cantilever beam model for studying crack propagation and arrest", Int. J. of Fract., 9(1), 83 (1973).
T. S. Kim, N. Tsuji, N. Kemeling, K. Matsushita, D. Chumakov, H. Geisler, E. Zschech, and R. H. Dausdardt, "Depth dependence of ultraviolet curing of organosilicate low-k thin films", J. Appl. Phys. 103(6), 064108 (2008).
C. Nair, F. Pieralisi, F. Liu, V. Sundaram, U. Muehlfeld, M. Hanika, S. Ramaswami, and R. Tummala, "Sputtered Ti-Cu as a Superior Barrier and Seed Layer for Panel-based High-Density RDL Wiring Structures", Proc. 65th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), San Diego, IEEE (2015).
T. Y. Kang, C. Park, W. Seo, G. Kim, and S. J. Hong, "Reactive Ion Etching of WPR for Via Formation in High Density 3-D Stacking Technology", J. Kor. Phys. Soc, 55(5), 1877 (2009).
T. Schwarz, H. Stahr, and A. Cardoso, "Merging of packaging technologies for highly integrated embedded modules", Proc. 6th Electronic Systerm-Integration Technology Conference (ESTC), France, IEEE (2016).
K. J. Min, S. C. Park, J. J. Lee, K. H. Lee, and Y. B. Park, "Interfacial fracture Energy between Electroless Plated Ni film and Polyimide for Flexible PCB Applications", J. Micro-electron. Packag. Soc., 14(1), 39 (2007).
Y. B. Park, I. S. Park, and J. Yu, "Interfacial Fracture Energy Measurements in the Cu/Cr/Polyimide System", Mater. Sci. Eng. A., 266(1), 261 (1999).
P. G. Charalambides, J. Lund, A. G. Evans, and R. M. McMeeking, "A test specimen for determining the fracture resistance of biomaterial interfaces", J. Appl. Mech., 111, 77 (1989).
X. Dai, M. V. Brillhart, and P. S. Ho, "Adhesion Measurement for Electronic Packaging Applications Using Double Cantilever Beam Method", IEEE T. on Compon. Pack. T., 23(1), 101 (2000).
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