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Ag/Sn/Ag 샌드위치 구조를 갖는 Backside Metallization을 이용한 고온 반도체 접합 기술
High-temperature Semiconductor Bonding using Backside Metallization with Ag/Sn/Ag Sandwich Structure 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.1, 2020년, pp.1 - 7  

최진석 (금오공과대학교 신소재공학과) ,  안성진 (금오공과대학교 신소재공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The backside metallization process is typically used to attach a chip to a lead frame for semiconductor packaging because it has excellent bond-line and good electrical and thermal conduction. In particular, the backside metal with the Ag/Sn/Ag sandwich structure has a low-temperature bonding proces...

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문제 정의

  • 1Si, Au-20Sn 공정 합금을 이용한다. 또한, 반도체 패키지 제조 비용을 감소시키기 위해 Au 계열 합금 대신 Sn 계 합금 솔더인 Sn-Cu, Sn-Ag, Sn-Ag-Cu를 적용하기 위한 연구를 수행하고 있다. 마지막으로 솔더 층의 산화방지를 위해 주로 Au 또는 Ag를 얇게 증착하여 사용하고 있다.
  • 본 논문에서는 반도체 접합 방법의 하나인 Backside metallization(BSM)에 Ag/Sn/Ag 샌드위치 구조를 적용한 접합 방법을 소개하고자 한다. BSM 공정이란 반도체를 리드프레임에 접합하기 위해 웨이퍼 후면에 다층의 금속박막을 형성하는 공정으로서 금속 박막의 구조에 따라 그 특성이 변하기 때문에 그 구조를 변화하여 다양한 반도체 패키지에 적용 가능한 장점을 가지고 있다.
  • 본 논문에서는 빠른 접합 시간을 가지며 저온 본딩이 가능하고 고온에서 재 용융이 이루어지지 않는 특징을 갖는 Ag/Sn/Ag 샌드위치 구조를 BSM 공정에 적용한 연구 결과를 소개하였다. 이러한 Ag/Sn/Ag 샌드위치 구조는 천이 액상 확산 접합의 장점과 BSM 공정의 장점을 모두 갖고 있는 특징이 있다.

가설 설정

  • 25,26) 이러한 금속간화합물 형성 메커니즘을 요약하여 설명하면 다음과 같다.27) 먼저 가열된 리드프레임과 BSM 층이 접촉하게 되면 낮은 융점을 갖는 Sn이 순간적으로 용융될 것이다. 그 후 용융된 Sn이 리드프레임에 도금된 Cu와 반응하여 Cu6Sn5를 형성하고, 리드프레임이 냉각되는 동안 Cu3Sn의 충분한 성장이 이루어지게 된다.
  • 28) 또한, Cu/Cu3Sn 계면에서 Sn과 Cu의 상호 확산 속도 차이(Cu의 확산 속도가 Sn보다 더 빠르다)에 의해 발생하는 Kirkendall void가 형성될 수 있다.29) Ag가 도금된 리드프레임에서 발생하는 공극은 도금 후 제거되지 않은 유기물 및 S와 같은 불순물들에 의해 형성될 수 있다.29-31) 계면에 형성된 공극은 제품의 신뢰성을 저하시킬 수 있기 때문에 발생을 최소화해야 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
널리 사용되는 고온 접합 재료는 무엇이 있는가? 대표적인 고온 접합 재료로서 Au 계 합금 솔더(solder)가 가장 널리 사용되고 있다. Au 합금은 고온 안정성 및 우수한 기계적 특성을 지니고 있기 때문에 반도체 제조 현장에서 사용되어 왔으나, 반도체 패키지 제조 원가가 높기 때문에 이를 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다.
현재 대표적인 저비용/친환경 고온 접합 재료는 무엇이 있는가? 이와 같은 재료들을 대체하기 위해 현재까지 저비용/친환경 고온 접합 재료에 대한 연구는 활발하게 진행되고 있다. 대표적으로 Bi 계 합금 솔더와 Zn 계 합금 솔더가 있다.9-14) 그러나 Bi 또는 Zn 계 솔더는 Au 합금 솔더나 Pb-Sn 솔더에 비해 낮은 젖음성(wettability), 낮은 열전도도(thermal conductivity)를 보이고 있기 때문에 이를 극복하기 위한 연구가 진행되고 있다.
Au 합금과 Pb-Sn솔더는 어떤 문제로 사용이 제한되고 있는가? Au 합금은 고온 안정성 및 우수한 기계적 특성을 지니고 있기 때문에 반도체 제조 현장에서 사용되어 왔으나, 반도체 패키지 제조 원가가 높기 때문에 이를 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다.6-8) Au 합금과 더불어 높은 Pb 함량을 갖는 Pb-Sn솔더 또한 우수한 접합 재료 지만 환경적 문제(restriction of hazardous substances, RoHS)로 인해 사용을 제한하고있다. 이와 같은 재료들을 대체하기 위해 현재까지 저비용/친환경 고온 접합 재료에 대한 연구는 활발하게 진행되고 있다.
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참고문헌 (32)

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