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예원 봉
5 years ago
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1 31 특집 : 최신전자패키징기술 - 공정및평가 플립칩패키징을위한초음파접합기술 Ultrasonic Bonding Technology for Flip Chip Packaging Ja-Myeong Koo, Jong-Woong Kim, Jeong-Won Yoon, Bo-In Noh, Chang-Yong Lee, Jeong-Hoon Moon, Choong-Don Yoo and Seung-Boo Jung 1. 서론 최근들어, 다양한형태의휴대형전자기기및디지털컨버전스제품들이출시되고있으며, 그종류와수요는해마다급속도로증가하고있다 1). 전통적으로기계부품의집합체로알려진자동차를비롯한운송수단에도엔진효율증대, 배기가스감소, 안정성및편의성향상을위해서전자부품의양이증가하고있는추세에있다 2). 이러한전자부품및제품들의성능을극대화하기위해서는고성능마이크로프로세서, 대용량의저장매체및다양한수동소자들의개발뿐만아니라, 각요소들이최적상태로상호유기적인구동이가능하도록시스템화하는전자패키징기술의개발이요구된다. 전자패키징기술은칩이나각종부품또는제품들을외부의환경으로부터보호하고, 필요한요소들에전원을공급하며, 전기적신호의원활한통로역할을하는동시에핫스팟 (hot spot) 에서발생한열을외부로방출시키는역할을수행한다 3,4). 하나의전자제품이완성되기위해서는다양한전자패키징기술이요구된다. 이중에서, 실리콘칩을패키징하는기술을 1차레벨이라하며, 신뢰성이높고, 작업속도가빠르며, 자동화가용이한와이어본딩 (wire bonding) 기술이일반적으로사용되어왔지만, 최근기하급수적으로증가하는논리소자들의전송속도와발열량을대응하기에는한계가있다. 이에따라, 솔더범프나금속범프를사용하여실리콘칩을기판상에실장시키는플립칩 (flip chip) 기술의시장이점차증가하고있다. Prismark 조사에의하면, 세계플립칩시장규모는 2001년 411만웨이퍼에서 2005 년 2,460만웨이퍼로급격하게증가하였다 5). 플립칩기술은기존와이어본딩기술대비임피던스가 1/10 이하로낮고, 다이크기에유사한크기로패키지크기를줄일수있는동시에우수한방열효과를기대할수 있기때문에, 하기와같은분야에필수적으로요구되는기술이다. Optoelectronics 분야 : 칩내발열량이크며, 입출력단자, 방열부과광학부를하나의칩에구현해야함. SiP (System in Package) 분야 : 구성된다수의논리소자들사이의신호지연이거의 0에가까워야함. 휴대기기용평판디스플레이분야 : 고해상도구현을위한클럭주파수와 I/O gate 수의증가와함께, 디스플레이모듈의박형화에대응할수있는패키지의소형화기술이요구됨. 한편, 미세피치플립칩기술은전자제품의소형화와고성능화를위한필수적인기술이다. 피치크기를줄일경우, 동일한공간에더많은입출력단자를구현하여고속처리및고성능칩의구현이용이하고, 같은수의입출력단자를더작은공간에구현하여패키지크기를줄일수있는장점을가지고있기때문이다. 그림 1은일본의일본전자공업진흥협회 (JEIDA: Japan Electronic Industry Development Association) 와 Toray 사에서각각예상한주변실장형플립칩패키지와 COG (Chip On Glass) 용플립칩패키지의피치크기의변화를보여 Pitch size ( μm ) 60 Toray Roadmap JEIDA Roadmap Year Fig. 1 Trends toward fine-pitch flip chip technology 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 1 號, 2008 年 2 月 31

32 준다 6). 플립칩의피치크기는점차감소하여 2010년에는 20 μm이하의피치크기를적용한제품들이출시될것으로예상된다. 전통적으로, 플립칩은솔더라는융점이 350 이하로낮은금속합금을사용하여기판에실장하여왔다. 이는일괄작업이가능하고, 제조단가가상대적으로저렴한동시에신뢰성이높은장점으로인하여널리사용되어왔다.

2 32 준다 6). 플립칩의피치크기는점차감소하여 2010년에는 20 μm이하의피치크기를적용한제품들이출시될것으로예상된다. 전통적으로, 플립칩은솔더라는융점이 350 이하로낮은금속합금을사용하여기판에실장하여왔다. 이는일괄작업이가능하고, 제조단가가상대적으로저렴한동시에신뢰성이높은장점으로인하여널리사용되어왔다. 하지만, 최근납의유해성으로인하여 Sn-Pb 계솔더의사용이제한됨에따라적절한융점, 기계적 전기적특성들을갖는무연솔더조성을개발하는데많은어려움을겪고있는동시에브리지 (bridge) 현상과신뢰성저하문제로인하여미세피치에대한적용에한계를가지고있다. 이를보완하기위해서, 솔더를얇게코팅한금속범프에대한연구 개발이진행중에있으나, 많은취약한금속간화합물들이계면에생성되어기계적특성이저하되는문제점이있다 7). ACF (Anisotropic Conductive Film) 나 NCF (Non- Conductive Film) 와같은접착제를이용한플립칩패키징기술은미세피치구현이용이하고, 계면에금속간화합물이생성및성장하지않으며, 접합온도가낮고, 작업시간이빠른장점을가지고있기때문에, 휴대형전자기기나평판디스플레이들을중심으로그사용이증가하고있는추세이다 ( 그림 2) 9). 하지만, 이는전기적특성이낮고, 고온 고습분위기하에서신뢰성이낮은동시에, 일본의두기업인히타치화학과소니화학이세계시장의 98% 이상을독점하고있는등재료의수입의존도가매우높은단점을가지고있다. 이러한문제점을해결할수있는방안으로써, 초음파플립칩접합기술이새롭게대두되고있다. 초음파접합기술은상온에서접합이가능하고, 접합시간이 1 초이내로매우짧으며, 전기적특성및신뢰성이좋은동시에접합매개물이필요없는직접접합기술이기때문에접합공정이간단하고제조원가가낮은장점을가지고있다 10). 또한, 플럭스나유기용 매등이필요하지않기때문에환경친화적공정이가능하며, 전자패키징용대부분의재료를접합할수있다 ( 그림 3) 11). 초음파접합의정확한기구 (mechanism) 는알려지지않았으나, 다음과같은원리에의해서이루어지게된다. 1) 범프와패드간접촉 : 일정한압력을인가하여, 플립칩상의범프들과하부기판의패드들을상호접촉시킴. 이때, 압력은모든범프들이기판과직접접촉할수있도록충분하게인가함. 2) 초음파발생 : 교류전기신호를입력받은 transducer 에서 20 khz 이상의초음파발진. 3) 초음파증폭및전달 : 발진된초음파를부스터와혼을통해서시편에전달시킴. 이때특별히설계된부스터와혼에의해서초음파의에너지와진폭은원하는강도로증폭되거나감쇄됨. 4) 초음파진동 : 인가된초음파에의해서, 혼에접촉된칩은 anvil 에고정된기판상에서수직또는수평으로진동함. 이때, 칩의범프와기판의패드사이의계면에서마찰이발생함. 5) 초음파접합 : 발생된마찰열에의해서접합계면에서원자간상호확산이발생함. 이때, 인가된초음파는원자들을순간적으로진동시켜서확산이나변형을돕는다. 초음파접합법은진동방향에따라수직진동방식과수평진동방식으로나눌수있다. 수직진동방식은시편에수직한방향으로혼이진동하는방식으로써, 주로연성재료의점탄성발열에접합부가국부적으로용융되거나열에의한접합계면인접원자들의상호확산에의해서접합이이루어지게되며, 수평진동방식은시편에수평방향으로진동하여, 진동하는상부기판과 Sales (x1,000 km) Amount (Yen) Bondable metals and alloys Bondable metals and alloys for electronics Year Fig. 2 World market share of ACF Fig. 3 List of metals and alloys bondable by ultrasonic vibration 32 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 1, February, 2008

플립칩패키징을위한초음파접합기술 33 고정된하부기판의접촉면에서발생하는마찰열에의해접합된다. 수직진동방식은장비가비교적저렴하고, 구조가간단한장점을가지고있어주로폴리머접합에사용되며, 수평진동방식은구조가복잡하여장비가격이고가이나, 이론상재료의제한이거의없고접합부의변형이적은장점을가지고있으며주로금속접합에사용된다.

3 플립칩패키징을위한초음파접합기술 33 고정된하부기판의접촉면에서발생하는마찰열에의해접합된다. 수직진동방식은장비가비교적저렴하고, 구조가간단한장점을가지고있어주로폴리머접합에사용되며, 수평진동방식은구조가복잡하여장비가격이고가이나, 이론상재료의제한이거의없고접합부의변형이적은장점을가지고있으며주로금속접합에사용된다. 일반적으로플립칩접합용으로는수평진동방식을주로사용하여왔으나, 솔더의점탄성을이용한수직진동방식도연구되고있다 12). 초음파접합은상호확산현상을이용한금속과금속간의직접접합법으로써, 접촉면의표면상태가접합품질에큰영향을미칠수있다. 따라서접합전에세정공정을요하며, 특히대기압플라즈마세정공정이유용할수있다 13). 기존의습식세정방법은폐산처리가환경문제로대두될수있으며, 세정액의관리문제와더불어작업자의안전과편의에애로사항이많은공정이다. 또한, 진공분위기하에서플라즈마를이용한건식세정방법은친환경공정이가능하나, 장치가격이고가이고생산성이떨어지는단점을가지고있다. 반면에, 대기압플라즈마세정은대기중에서플라즈마를발생시켜세정하기때문에, 장비가격이비교적저렴하고, 생산성이높고, in-line 시스템구축이용이한장점을가지고있다. 그림 4는대기압플라즈마세정이포함된초음파접합공정의모식도를보여주며, 공정순서는다음과같다. 1) 1차대기압플라즈마공정 : 초음파접합강도를향상시킬목적으로수행하며, 상부기판의범프와하부기판의접합패드표면의오염물질을제거하고, 표면을활성화시킨다. 2) 초음파접합 : 초음파를이용하여상부와하부기판을접합한다. Fig. 4 Schematic diagram of ultrasonic flip chip bonding process 3) 2차대기압플라즈마공정 : 빠르고원활한언더필공정을위해서수행하며, 기판표면의젖음성을향상시켜언더필의유동성과퍼짐성을향상시킨다. 4) 언더필도포및경화 : 언더필수지를플립칩과기판사이에도포한후, 자외선이나가열을통하여경화시킨다. 5) 검사 : 접합상태를검사및판별한다. 초음파접합이이루어지기위해서는접합체에에너지집속부 (energy director) 의형성이요구되며, 플립칩의경우범프가그역할을수행하게된다. 금은연성이좋은동시에전기적특성이우수하여, 좋은초음파접합용범프재료가될수있다. 금범프를형성하는주요방법으로는전해도금법과스터드범핑법이있다. 전해도금법은다핀형성과대량생산에유리한장점을가지고있으며, 스터드범프는끝이뾰족한종형상을하기때문에변형의자유도가크고적은압력으로접합이가능한동시에순도조절과첨가원소를다양화시킬수있는장점을가지고있으나, 다핀형성시공정시간이증가하여제조원가가증가하는단점이있다. 최근, 스터드범핑속도가향상된전용장비가출시되고있으며, 장치가개선되어균일하고빠른전해도금범프의형성이가능해졌다. 본고에서는금스터드범프와금전해도금범프의초음파접합특성에대해서간략하게소개하고자한다. 2. 스터드플립칩범프의초음파접합 14,15) 2.1 실험방법 100 nm 두께의 SiO 2 가형성된웨이퍼를사용하였다. Ti, Cu와 Au 층은각각웨이퍼와 Cu 사이의접착력향상층, 전도층과표면산화방지층의역할을수행하기위해서형성시켰다. 칩의크기는 7 7 mm 2 이었고, peripheral array 방식으로 173 개의범프가스터드범핑되었다. 이때범프의최대반지름의크기는 φ (H) μm 3 이었다. 하부기판은 bismaleimide triazine (BT) 기판을사용하여 mm 3 의크기로제조하였다. 범프간피치크기는 60 μm이었다. 패드의표면처리에따른접합특성을연구하기위해서, 전해 Au, 무전해 Ni/Au (ENIG: electroless Ni/immersion Au) 및 organic solderability preservative (OSP) 를코팅하였다. 스터드범프의높이를균일화하기위해서 2 kgf의압력으로 10초간 coining 공정후, 접합시간을 0.1 초부터 2 초까지달리하여플립칩접합장치 (M-9, Laurier 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 1 號, 2008 年 2 月 33

4 34 Co., U.S.A.) 를사용하여초음파접합하였으며, 이때인가하중, 입력파워와주파수는각각 2 kgf, 16 W와 40 khz로고정하였다. 접합부단면은에폭시수지로마운팅후폴리싱하여주사전자현미경 (SEM: scanning electron microscopy) 의후방산란전자이미지 (BSI: back-scattered electron image) 모드를사용하여접합부단면을관찰하였다. 접합부의기계적특성은다이전단시험을통해서평가하였다. 사용한접합시험기는 PTR-1000 (Rhesca Co., Japan) 이었으며, 전단속도와높이는각각 0.2 mm/s와 5 μm로고정하였다. 전단시험후전단강도변화의원인을관찰하기위해서, 파단면을 SEM을사용하여관찰하였으며, 에너지분산형 X-선분광기 (EDS: energy dispersive X-ray spectroscopy) 를사용하여파단면을분석하였다. Shear force (N) 2.2 실험결과 그림 5는접합시간이증가함에따른접합강도의변화를보여준다. 표면처리에상관없이, 접합시간이증가함에따라접합강도는증가하였다. 접합시간이증가함에따라범프의변형량증가에따른접합부전체면적이증가하였기때문으로판단된다. 그림 6은전해 Au 처리된기판상에접합시간을달리하여초음파접합된접합부의전단시험후, 파단면을관찰한결과이다. 접합시간이증가함에따라범프의변형량은증가하였고, 이에따라접합부의전체면적이증가하였다. 이러한결과는앞서언급한전단시험결과와일치하였다. 접합시간이 2 초로증가함에따라범프간의 bridge 현상이발견되었다. 따라서최적접합시간은 Electrolytic Au ENIG OSP Bonding time (s) Fig. 5 Shear force variations of the Au-stud flip chip b umps bonded at 19.8 N with bonding time and s urface finish of lower substrate using ultrasonic vibration (a) Fig. 6 SEM micrographs of fracture surfaces after ultras onic bonding with electroplated Au substrate at 19.8 N for 0.1 s (a) and 2 s (b) 0.3 초에서 1 초사이로판단된다. 전해 Au, ENIG 및 OSP 처리는전자산업에서사용되는대표적인표면처리방법들이다. 표면처리에상관없이, 초음파접합법을사용하여성공적으로 Au 스터드범프와하부기판의패드를접합할수있었다. 특히, OSP 처리는일반적으로구리패드의산화를방지하기위해서유기물을얇게코팅하는방법으로서, 제조단가가낮고공정이간단한장점을가지고있다. 초음파접합법을사용하여, 가열, 산세처리또는별도의유기물제거공정없이성공적으로 Au 스터드범프와 OSP 처리된 Cu 기판을직접접합할수있었다. 이는초음파플립칩접합용기판제조시, 저렴한 OSP를적용할수있음을보여준다. 3. 전해도금된플립칩범프의초음파접합 13) 3.1 실험방법 상부기판과하부기판은각각실리콘웨이퍼와글라스웨이퍼를사용하여제조되었다. 실리콘웨이퍼상에는 100 nm 두께의 SiO 2, 100 nm 두께의 Ti와 500 nm 두께의 Cu 층이증착되었다. 사진공정후, 30 (W) 30 (D) 15 (H) μm 3 크기의금범프 255개가전해도금된후, 또다른사진공정후 Ti/Cu 층을선택적으로에칭하여패턴닝하였다. 플립칩상에는 25개의패드가형성되었고, 각패드상에는 3x3 배열로범프들이 60 μm피치로형성되었다. 글라스기판은사진공정후, Cr/Cu 층을증착시킨후, Au를무전해도금하였다. 최종적으로상부와하부기판은각각 5 5mm 2 와 20 20mm 2 의크기로다이싱하였다. 상부와하부기판은접합압력과시간을각각 50 MPa에서 200 MPa까지, 그리고 0.3 초부터 1.5 초까지변화시키면서초음파접합하였다. 기타조건및실험방법은앞서설명한, 스터드범프를이용한접합법과같았다. 34 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 1, February, 2008

플립칩패키징을위한초음파접합기술 35 3.2 실험결과그림 7은전해도금된 Au 플립칩범프와 Au/Cu/Cr 이증착된글라스기판의패드를접합압력과시간을달리하여상온에서초음파접합한후, 측정한전단강도를보여준다. 접합압력과시간에따라접합강도는민감하게변화하였다. 접합강도는약 150 MPa의압력하에서 1초간접합하였을때, 최대접합강도를나타내었다.

5 플립칩패키징을위한초음파접합기술 실험결과그림 7은전해도금된 Au 플립칩범프와 Au/Cu/Cr 이증착된글라스기판의패드를접합압력과시간을달리하여상온에서초음파접합한후, 측정한전단강도를보여준다. 접합압력과시간에따라접합강도는민감하게변화하였다. 접합강도는약 150 MPa의압력하에서 1초간접합하였을때, 최대접합강도를나타내었다. 전해도금시, 웨이퍼상의전류밀도차에의해서범프의높이가차이가나게된다. 본연구에서는 150 MPa의압력하에서 1초간초음파를인가하였을때, 모든범프들이변형되어완벽한접합부를형성한것으로판단된다. 또한, 그이상압력과시간을인가하였을경우, 과대인가압력에의한진동의뒤틀림, 범프내미세균열이발생하였거나잔류응력증가로접합강도가감소하였을것으로판단된다. 그림 8은최적조건하에서접합된접합부의단면을보여준다. 사각기둥모양의범프는약간의변형을통하 Shear strength (MPa) Bonding time (s) Pressure 200 Time 여완벽하게하부기판의패드와접합된것을확인할수있었다. 수평진동방식의경우접합장치의 co-planarity와범프높이의균일성이매우중요하다. 따라서접합및도금장치의정밀도, 도금조건또는첨가제등을개선시켜이를줄일경우접합압력이나시간을더욱감소시킬수있을것으로예상된다. 4. 결론 초음파접합법은솔더범프를이용한열압착법이나 ACF나 NCF 등과같은접착제를이용한접합법과비교하여, 접합온도가낮고, 접합시간이짧으며, 접합압력이낮은동시에미세피치플립칩에적용가능하며, 친환경공정이가능한매력적인접합법으로써, 향후저온접합기술, 미세피치플립칩용정밀접합기술및고생산성 친환경 고신뢰성접합기술등을요구하는분야에경쟁력있는접합법이다. 본고에서는스터드 Au 범프와전해도금된 Au 범프를각각 FPCB와글라스기판상에접합한연구결과를소개하였다. 초음파접합조건의주요변수로는접합압력과시간이있다. 범프재료에상관없이이두가지변수에매우민감하게접합강도가변화하는것을알수있었다. 향후, 초음파접합법이보편적으로이용되기위해서는신뢰성있는장비의개발, 다양한범프및기판재료에따른접합특성및접합변수최적화에관한연구및접합부의다양한신뢰성연구가선행되어야할것이다. 후기 Bonding pressure (MPa) Fig. 7 Shear strength variation of the electroplated Au flip chip bumps bonded on the Au- finished glass s ubstrate with increasing bonding pressure and ti me using ultrasonic vibration Fig. 8 Cross-sectional SEM micrograph of the Au bump /substrate joint bonded at about 150 MPa for 1.0 s using ultrasonic vibration 본논문은산업자원부차세대신기술개발사업 ( 과제번호 : ) 으로지원된연구임. 참고문헌 1. J.W. Yoon, W.C. Moon and S.B. Jung: Core technology of electronic packaging, Journal of KWS, 23-2 (2005), (in Korean) 2. 유영준 : Automotive Electronics 의현황과전망, 전자정보센터 ( (2006) (in Korean) 3. J.W. Yoon, J.W. Kim, J.M. Koo, S.S. Ha, B.I. Noh, W.C. Moon. J.H. Moon and S.B. Jung: Flip-chip technology and reliability of electronic packaging, Journal of KWS, 25-2 (2007), (in Korean) 4. J.M. Koo, J.H. Moon and S.B. Jung, Ultrasonic Bonding of Au Flip Chip Bump for CMOS Image Sensor, Journal of Microelectronics & Packaging Society, 14 (2007) 19 (in Korean) 5. Materials & Components Roadmap RFP Report, Korea 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 1 號, 2008 年 2 月 35

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DBPIA-NURIMEDIA 37 특집 : 최신전자패키징기술 - 공정및평가 Optoelectronic 패키징을위한 Au-Sn 플립칩범핑기술과신뢰성 Au-Sn Flip-chip Bumping Technology and Reliability for Optoelectronic Packaging Jeong-Won Yoon, Jong-Woong Kim, Ja-Myeong Koo, Bo-In Noh