초록 ▼

NCF를 사용하는 3D TSV 적층 공정은 주로 thermo-compression (T/C) 방식을 사용하여, 본딩 공정 중에 열과 압력을 가하여 솔더를 용융시키며, 이러한 용융 솔더를 이용하여 동금속 간 접합을 형성한다. 그러나 가해지는 압력에 의해 용융된 솔더의 변형이 이루어져 용융된 솔더가 Cu-pillar의 측면을 타고 올라가는 문제점이 발생한다. 이렇게 솔더가 Cu-pillar 측면에 넓은 면적에 거쳐 wetting이 이뤄질 경우에 솔더와 동금속 간의 계면 반응이 가속화되어, 솔더의 소모가 급속도로 이루어지고, 또한 솔더와

NCF를 사용하는 3D TSV 적층 공정은 주로 thermo-compression (T/C) 방식을 사용하여, 본딩 공정 중에 열과 압력을 가하여 솔더를 용융시키며, 이러한 용융 솔더를 이용하여 동금속 간 접합을 형성한다. 그러나 가해지는 압력에 의해 용융된 솔더의 변형이 이루어져 용융된 솔더가 Cu-pillar의 측면을 타고 올라가는 문제점이 발생한다. 이렇게 솔더가 Cu-pillar 측면에 넓은 면적에 거쳐 wetting이 이뤄질 경우에 솔더와 동금속 간의 계면 반응이 가속화되어, 솔더의 소모가 급속도로 이루어지고, 또한 솔더와 동금속 조인트 내부에 보이드가 형성되어 조인트 가 취약해지며, 이로 인한 접속 신뢰성이 매우 약화된다. 이러한 불안정한 조인트의 형성을 억제하기 위해 두가지 다른 물성을 지니는 Double layer NCF를 구상하였다. 단일층 NCF에서 발생하는 조인트 문제를 해결하기 위해 빠른 경화 속도 (onset T<90°C)와 높은 점도 (>10000Pa.s)를 지니는 imidazole-NCF를 윗층으로 구성하였으며 느린 경화속도 (onset T>180°C) 및 낮은 점도 (<4000Pa.s)를 지니고 flux 기능을 갖는 Anhydride-NCF를 아래층으로 구성하였다. 이렇게 이중층 NCF를 통해 조인트가 형성 될 경우 윗층의 NCF에 의해 Cu-pillar에 솔더가 wetting되는 것을 억제되고 아래층의 NCF에 의해 솔더가 pad에 wetting이 원활히 이뤄지게 된다. 각각 층의 역할을 수행하기 위해서는 범프 형태에 맞게 각각 NCF 층의 두께가 최적화가 이루어져야 한다. NCF의 두께별 효과를 분석한 실험 결과 Cu-pillar(10um)/SnAg bump(10um)의 test vehicle에서는 두 층의 두께가 둘 다 12um일 경우에 솔더의 Cu-pillar wetting이 억제되고 pad에는 안정적으로 wetting이 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이 조인트 형상을 억제시키는 12um/12um의 Double-layer NCF를 양산화하기 위한 방법으로 이중 코팅 기법을 개발하였으며 NCF에 사용되는 용매인 Methyl Ethyl Ketone (MEK)의 양을 두층 모두 최적화하여 안정적인 필름 형성성을 확보하였다. 그 후 일차적으로 아래층인 Anhydride -NCF를 이형지 위에 80도의 온도에서 11T의 gap size로 코팅한 뒤에 그 위에 다시 한 번 Imidazole-NCF를 같은 온도에서 20T의 gap size로 코팅하는 형태로 진행시 목표치를 달성할수 있었다. 그 후 NCF를 사용하여 Thermo-compression 방식으로 40N, 6C/s, 250℃ for 10sec dwell time의 프로파일로 40um pitch 마이크로 범프 본딩을 진행한 결과 test vehicle의 컨택 저항 및 데이지 저항이 모든 방향에서 안정적으로 나왔다. 또한 고온신뢰성 시험 (HTST) 1000시간, 열싸이클 시험(T/C) 1000 싸이클, 고온흡습시험(85/85) 1000시간동안 진행하는 동안 NCF로 접합된 COB module은 안정적인 전기 저항값 (failure criterion 200%)을 보였다.

Abstract ▼

Chip-stacking method for 3D-TSV is performed using thermo-compression bonding method which consists of heating and applying pressure. By this method, solder bump on top chip is wetted on to the pad of substrate, and hence solder joint is formed. However, the applied pressure causes a huge deformatio

Chip-stacking method for 3D-TSV is performed using thermo-compression bonding method which consists of heating and applying pressure. By this method, solder bump on top chip is wetted on to the pad of substrate, and hence solder joint is formed. However, the applied pressure causes a huge deformation of solder which might result in wetting of solder on to the Cu-pillar. The wetting of solder on Cu-pillar accelerates interfacial reactions between solder and Cu, and intermetallic compounds (IMCs) take most of volume in the joint. The huge proportion of IMCs within the joint results degradation of reliability due to bad mechanical properties of IMCs. To prevent the degradation of reliability due to huge wetting of solder on Cu-pillar, a new concept of double-layer NCF which consists of two layers with different material properties is proposed and demonstrated. Top layer NCF was composed of imidazole-NCF with material properties of fast curing speed (onset temperature<90°C) and high viscosity (>10000 Pa.s). Bottom layer consist of anhydride-NCF with slow curing speed (onset>180°C), low viscosity (<4000 Pa.s), and flux-function which removes solder-oxide. By the double-layer NCF, wetting of solder on Cu-pillar is prohibited and wetting of solder on pad is well achieved. Thickness optimization of each layer was performed to achieve optimal joint shape. Experimental results indicate that ideal joint shape is achieved with thickness of 12um/12um for Cu-pillar (10um)/Sn-Ag bump (10um) structure. For the production of the double-layer NCF of 12um/12um thickness, double-coating method which forms two film layer by two coating procedures was developed. To form uniform double-layer NCf with double-coating method, MEK solvent ratio in individual NCF resin solution was optimized for uniform film-formability, and hence uniform films were achieved. For the fabrication of the double-layer NCF, Anhydride-NCF was first coated on coating paper at 80°C with gap size of 11T, and then Imidazole-NCF was coated on it at 80°C with gap size of 20T. By this method 12um/12um double-layer NCF was successfully fabricated. The bonding of 40 um pitch micro-bump was performed using the NCF with thermo-compression profile of 0N, 6℃/s, and 250℃ for 10sec dwell time. Analysis on the bonded test vehicle showed reliable and similar daisy and contact resistance for all the directions in the test vehicle. Additionally, 1000 hours of high temperature storage test (HTST), 1000 cycles of thermal cycle test (T/C), and 1000 hours of 85°/85℃ test showed stable contact resistance of bonded test vehicles (failure criterion 200%).