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 and Seung-Boo Jung 1. 서론 최근정보기술의빠른발전과함께, 옵토일렉트로닉패키지 (optoelectronic package) 의사용이빠르게증가하고있다. 이들패키지에서, 레이저다이오드 (laser diode) 와같은능동소자 (active device) 를패키지기판과접합하기위해서솔더합금이일반적으로사용된다. 이러한광패키지모듈의솔더접합부는열방산 (heat dissipation), 전기적접속 (electrical connection), 자기정렬효과 (self-aligning effect) 등과같은일반적인기능들뿐만아니라 1,2), 사용동안에레이저다이오드와웨이브가이드 (waveguide) 사이의정확한정렬을유지하게한다. 따라서이들모듈에사용되는솔더합금은열응력 (thermal stress) 에의해야기되는크립변형 (creep deformation) 에대해우수한저항성을가져야만한다. 옵토일렉트로닉패키지에서본딩을위해사용되는솔더합금은융점에따라소프트 (soft) 솔더와하드 (hard) 솔더로나눌수있다 (Table 1 참조 ). 그러나공정솔더 (Sn-37wt.%Pb) 와같은소프트솔더는하드솔더보다열피로신뢰성이떨어지는특성을가지고있다. 다양한하드솔더가운데특히 Au-2Sn 솔더는비교적낮은융점, 낮은탄성계수, 높은열전도도및높은강도로인해세라믹패키지의 Hermetic sealing, 플립칩범핑, 다이어태치 (die attachment), 웨이퍼본딩 (wafer bonding), 실리콘기판과광섬유 (optical fiber) 의어셈블 리등다양한분야에서널리사용되고있으며앞으로그사용의증가가예상된다 (Fig. 1-4참조 ). 공정 Au-2Sn 솔더합금은무플럭스접합특성과우수한열적 / 기계적특성을가지고있다. 이러한특성으로인하여이합금은바이오메디컬 (biomedical), 광학 (photonic), MEMS 디바이스와같은무플럭스공정이요구되는전자패키지의플립칩어셈블리에널리사용되어져왔다. 이러한 Au-Sn 솔더합금은전통적으로솔더프리폼 (pre-form), 솔더페이스트 (paste), electron- beam Hermetic sealing Flip chip bumping Die attachment -GaAs/Au-Su/Alumina Wafer bonding or die bonding Table 1 소프트 (Soft) 솔더와하드 (Hard) 솔더의비교 소프트 (Soft) 솔더 - Sn이나 In 합금 - 낮은융점 - 낮은항복강도 - 낮은크립 (creep) 저항성 하드 (Hard) 솔더 - Au-Sn(278 ) Au-Si(363 ) Au-Ge(356 ) - 높은융점 - 높은항복강도 - 뛰어난열적안정성 - 우수한장기신뢰성 Optical subassembly -Optical fiber bonded to SI substrate Fig. 1 Au-Sn 솔더의다양한응용분야 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 1 號, 28 年 2 月 37
38 Fig. 2 InP 광검출기용소형 Au/Sn 범프, 리플로우후 5 μm직경의 Au/Sn 범프단면주사전자현미경사진, 도금후의 3 μm직경의 Au/Sn 범프단면주사전자현미경사진, Au/Sn 플립칩의 RF 특성을평가하기위해서실리콘기판상의 B CB 박막에 InP 테스트칩을배치한샘플 (Fraunh ofer IZM, Germany) 3) evaporation 방법과전해도금방법으로제조되어왔다 (Fig. 5참조 ). 그러나, 솔더프리폼방법은본딩전솔더합금의산화문제와정렬 (alignment) 이어렵다는단점이있고, 솔더페이스트를이용한방법또한산화문제와페이스트내에포함된유기바인더 (organic binder) 로부터쉽게오염된다는단점이있다. electron- beam evaporation 방법은본딩전에형성되는산화물의양을줄일수있고, 솔더의두께와조성을정확하게조절할수있다는장점이있으나, 가격이비싸다는단점을가지고있다. 이에반해, 전해도금방법은 electron-beam evaporation 방법과비교시저렴한가격과짧은공정시간, 조성과두께조절이용이하다는장점을가진다 6). 기존에는 Au-Sn 솔더합금을제조하기위하여각각의 Au와 Sn 도금용액으로부터순차적인도금공정이이용되었으나, 최근에는 Au-Sn 합금도금액을이용하여적절한전류밀도하에서동시에도금하는방법이개발되었다. 이러한 Au-Sn 이원합금계는다소복잡한평형상태도를가지고있으며, Au-2wt.%Sn 과 Au-9wt.%Sn 의두공정점 (eutectic point) 이있다 (Fig. 6참조 ). 그러나, Au-9Sn( 융점 : 217 ) 과비교시 Au-2Sn( 융점 : 278 ) 은다소융점이높은하드솔더에포함되지만, 우수한열적 / 기계적특성으로인하여널리사용되어지고있다 (Fig. 7참조 ). Fig. 3 리플로우후직경 6 μm Au-Sn/Au socket 구조의플립칩범프단면주사전자현미경사진 (Fraunhofer IZM, Germany) 4) Solder pre-forms Paste Electron-beam evaporation Electroplating Fig. 4 bonding 시편의모식도, Au-Sn 범프의주사전자현미경사진, bonding 전의 Au-Sn 범프의주사전자현미경사진 (The University of Tok yo, Japan) 5) Fig. 5 Au-Sn 솔더의제조방법 38 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 1, February, 28
Optoelectronic 패키징을위한 Au-Sn 플립칩범핑기술과신뢰성 39 Temperature( ) 12 1 8 6 4 2-2 at.% Sn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Au wt.%sn Sn Au-2Sn Au-9Sn 공정 Au-2Sn ζphase(au 5 Su)+δPhase(AuSn) 공정 Au-9Sn ηphase(ausu 4 )+β_sn Melting temperature Fig. 6 Au-Sn 이원합금상태도 Tensile strength 본고에서는최근패키징분야에서주목받고있는옵토일렉트로닉패키징을위한플립칩 (Flip-chip) 범핑기술에있어서전해도금방법을이용한 Au-2Sn 과 Au-9Sn 플립칩솔더범프의제조기술과제조된플립칩솔더범프의금속학적 / 기계적신뢰성에대한연구결과를간략히소개하고자한다 7-9). 2. 플립칩범프형성및신뢰성평가 두가지조성의 Au-Sn 플립칩솔더범프가 Fig. 8에보여진공정순서도에따라형성되었다. 순차적인 Sn과 Au의전해도금공정후, 적외선리플로우장비 (RF-43-N2) 를이용하여 6초동안리플로우공정 (Au-2Sn: 31, Au-9Sn: 28 ) 이수행되었다 (Fig. 9참조 ). 리플로우된 Au-Sn 플립칩솔더범프가 15 에서 1시간동안등온시효처리되었으며, 접합부의기계적신뢰성을평가하기위하여, 1μm /s의전단속도와 2μm의전단높이하에서전단시험이수행되었다. 각솔더접합부의계면과전단시험후파면이주사전자현미경으로분석되었으며, 이를바탕으로 Au-Sn 플립칩솔더접합부의신뢰성이평가되었다. Fig. 7 다양한솔더합금의융점과인장강도 공정 Au-2wt.%Sn 합금의특성 - 무플럭스솔더링 (Fluxless soldering) 가능 - Hard 솔더 (Au-3.15Si: 363, Au-12Ge: 356 ) 중비교적낮은융점 - 낮은탄성계수 - 높은열전도도 - Hermetic seal 생성 - 우수한기계적 전기적특성 - Ni, Pd, Pt와의느린반응및금속간화합물생성 Fig. 8 Au-Sn 플립칩솔더범핑공정순서도 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 1 號, 28 年 2 月 39
4 Au-Sn Flip chip bumping Fig. 9 Au-Sn 솔더를이용한플립칩범핑 Fig. 1 3. 결과및토의 3.1 Au-2Sn 플립칩솔더범프 9) Fig. 1은 Ni UBM(Under Bump Metallization) 과리플로우후의 Au-2Sn 플립칩솔더범프의주사전자현미경사진이다. 그림에서보는바와같이리플로우공정후 1μm직경의플립칩솔더범프가성공적으로형성되었다. 리플로우후솔더범프의단면관찰결과, Au-2Sn솔더는 ζ상 (Au 5 Sn) 과 δ상 (AuSn) 으로구성되었으며 (Fig. 11참조 ), Ni UBM과의반응으로계면에는 Au- Ni-Sn의금속간화합물이생성되었다. Ni UBM이 ζ상보다 δ상 (AuSn) 과우선적으로반응하였으며, 계면화합물의조성은 (34-35)Au-(2-23)Ni-(42-43)Sn (at.%) 로확인되었다. 그조성이 Fig. 12의 1로표시되었다. 이로미루어보아, (Au,Ni)Sn과 (Ni,Au) 3 Sn 2 화합물의생성을예상할수있으나, 이전연구자들이약 3 의리플로 주사전자현미경사진, Ni UBM,, 리플로우후의 Au-2Sn 플립칩솔더범프 우온도에서 Au-2Sn/Ni 계면에서는 (Ni,Au) 3 Sn 2 화합물이생성된다고보고하였다 11). 15 의시효온도에서시간이증가함에따라계면화합물은조금성장하였고, Fig. 11 Au-2Sn/Ni 계면의주사전자현미경사진 ( 시효온도 : 15 ); 리플로우후, 48 시간후, 1 시간후, 5 시간후 우선적으로반응하는 δ상이계면화합물위에위치하는경향이점차증가하였다. 이로인하여 Au-2Sn솔더의미세조직이다소조대해지는경향이관찰되었다. 3.2 Au-9Sn 플립칩솔더범프 8) Fig. 13은리플로우후의 Au-9Sn 플립칩솔더범프의주사전자현미경사진이다. 그림에서보는바와같이, 전해도금시 Au의두께를조절함에따라성공적으로 Au-9Sn 솔더범프를형성할수있었다. 리플로우후솔더범프의단면관찰결과, Au-9Sn 솔더는 η상 (AuSn 4 ) + β-sn상으로구성되었으며, Ni UBM과의반 Ni 1 1 9 2 8 3 7 4 Ni 3 Sn 2 6 5 Ni 3 Sn 4 5 6 4 (Ni,Au) 3 Sn 4 7 3 8 2 9 1 1 Sn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Au AuSn 4 AuSn 2 AuSn Au 5 Sn at.% Sn at.% Au at.% Ni Fig. 12 상온에서의 Au-Ni-Sn 삼원계등온섹션 1) 응으로계면에는 (Ni,Au) 3 Sn 4 의금속간화합물이생성되었다 (Fig. 14과 12참조 ). 그계면화합물의조성은 28.8Ni-16.5Au-54.7Sn (at.%) 로확인되었다. 15 의시효온도에서시효시간이증가함에따라 Au 4 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 1, February, 28
Optoelectronic 패키징을위한 Au-Sn 플립칩범핑기술과신뢰성 41 after electroplating after reflow (d Fig. 13 Au-9Sn/Ni 플립칩솔더접합부의모식도 (a, b) 와리플로우후의주사전자현미경사진 (c, d) Fig. 15 Au-9Sn/Ni 계면의주사전자현미경사진 ( 시효온도 : 15 ); 48 시간후, 25 시간후, 5 시간후, 1 시간후 Fig. 14 리플로우후의 Au-9Sn/Ni 플립칩솔더접합부의주사전자현미경사진 와비교해더욱많은 Sn의소모로인해솔더의조성과미세조직이크게변화하는것이관찰되었다. 실제로, 계면화합물 (28.8Ni-16.5Au-54.7Sn ((Ni,Au) 3Sn 4)) 을생성하기위해소모된 Sn의양이 Au의약 3.3배에달했다. 이러한계면반응의결과로, η상 (AuSn 4) + β- Sn상으로구성되었던리플로우후의솔더범프의미세구조가 η상 (Fig. 15), 그리고 η상 (AuSn 4) + ε상 (AuSn 2) (Fig. 15) 으로점차변화하였다. 이러한상변화를 Fig. 6의상태도에검은색화살표 ( ) 로표시하였다. 이러한 15 에서등온시효동안에 Au-9Sn/Ni 플립칩솔더접합부에서발생한순차적인계면반응의모식도를 Fig. 16에나타내었다. 3.3 Au-Sn 플립칩범프의기계적신뢰성제조된두종류의 Au-Sn 플립칩솔더범프의기계적 Fig. 16 IMC:(Ni,Au) 3Sn 4 η : AuSn 4 ε : AuSn 2 15 의등온시효동안 Au-9Sn/Ni 플립칩솔더접합부의순차적인계면반응의모식도 신뢰성을조사하기위해솔더범프전단시험이수행되었다. Fig. 17에플립칩솔더범프전단시험의모식도를보였다. 전단시험결과, 하드솔더인 Au-2Sn 솔더접합부가소프트솔더인 Au-9Sn 솔더접합부에비해우수한기계적신뢰성을나타내었다 (Fig. 18). 파면분석결과, Au-2Sn 솔더접합부는시효시간에관계없이 Ti/Cu metallization층과 Ni UBM층사이에서파괴가발생하였으며, 이로미루어보아, Au-2Sn 솔더와 Ni UBM층사이의접합강도가 Ti/Cu metallization층과 Ni UBM 층사이의접합강도보다높다는것을확인할수있었 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 1 號, 28 年 2 月 41
42 Shear probe Shear speed:1 μm /s Solder Bump 15 의등온시효동안에 Au-2Sn/Ni 플립칩솔더접합부는안정된계면형상을유지하였으나, Au-9Sn/Ni 플립칩솔더접합부는빠른계면반응및많은 Sn의소모로인하여솔더미세조직이크게변화하였다. 전단시험결과, 하드솔더인 Au-2Sn 솔더접합부가소프트솔더인 Au-9Sn 솔더접합부에비해우수한기계적신뢰성을나타내었다. IMC Shear probe height : 2 μm Ni UBM Cu Ti 후기 Fig. 17 플립칩솔더범프전단시험의모식도 본논문은산업자원부차세대신기술개발사업 ( 과제번호 : 1349) 으로지원된연구임. 참고문헌 Shear force(n) 2. 1.8 1.6 1.4 1.2 1..8.6.4.2. Au-2Sn Au-9Sn Au-2Sn Au-9Sn 2 4 6 8 1 Aging time(hour) Fig. 18 등온시효에따른 Au-Sn/Ni 플립칩솔더접합부의전단강도변화 다. 반면, Au-9Sn 솔더접합부는시효시간에관계없이계면화합물층에서파괴가발생하였으며, 이로미루어보아, Au-9Sn 솔더와 Ni UBM층사이의접합이기계적으로우수하지않음을확인할수있었다. 4. 결론 본고에서는최근패키징분야에서주목받고있는옵토일렉트로닉패키징을위한플립칩 (Flip-chip) 범핑기술에있어서전해도금방법을이용한 Au-2Sn과 Au-9Sn 플립칩솔더범프의제조기술과제조된플립칩솔더범프의금속학적 / 기계적신뢰성에대한연구결과를소개하였다. 순차적인 Sn과 Au의전해도금공정과리플로우공정의수행후약 1μm직경의 Au-2Sn과 Au-9Sn 플립칩솔더범프가성공적으로형성되었다. 1. J.W. Yoon, W.C. Moon and S.B. Jung: Core technology of electronic packaging, Journal of KWS, 23-2 (25), 116-123 (in Korean) 2. 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 (27), 18-117 (in Korean) 3. M. Hutter, F. Hohnke, H. Oppermann, M. Klein and G. Engelmann : Assembly and reliability of flip chip solder joints using miniaturized Au/Sn bumps, 24 Electronic Components and Technology Conference, (24), 49-57 4. D.Q. Yu, H. Oppermann, J. Kleff and M. Hutter : Interfacial metallurgical reaction between small flip- chip Sn/Au bumps and thin Au/TiW metallization under multiple reflow, Scripta Materialia, 58 (28), 66-69 5. Y. H. Wang, K. Nishida, M. Hutter, T. Kimura and T. Suga : Low-temperature process of fine-pitch Au-Sn bump bonding in ambient air, Japanese Journal of Applied Physics, 46 (27), 1961-1967 6. J.W. Yoon: Ph.D degree thesis, Sungkyunkwan University, (26) 7. J.W. Yoon, H.S. Chun and S.B. Jung : Reliability analysis of Au-Sn flip-chip solder bump fabricated by co-electroplating, Journal of Materials Research, 22(5) (27), 1219-1229 8. J.W. Yoon, H.S. Chun, Ja-Myeong Koo, Hoo-Jeong Lee and S.B. Jung : Microstructural evolution of Sn-rich Au-Sn/Ni flip-chip solder joints under high temperature storage testing conditions, Scripta Materialia, 56 (27), 661-664 9. J.W. Yoon, H.S. Chun and S.B. Jung : Reliability evaluation of Au-2Sn flip-chip solder bump fabricated by sequential electroplating method with Sn and Au, Materials Science and Engineering A, 473 (28), 119-125 1. S. Anhöck, H. Oppermann, C. Kallmayer, R. Aschenbrenner, L. Thomas and H. Reichl: Investigations of Au-Sn alloys on different end- metallizations for high temperature applications. In Proceeding of the 1998 IEEE/CPMT Berlin International Electronics Manufacturing Technology Symposium, IEEE, Piscataway, NJ, (1998), 156-165 42 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 1, February, 28
Optoelectronic 패키징을위한 Au-Sn 플립칩범핑기술과신뢰성 43 11. S.S. Kim, J. H. Kim, S.W. Booh, T.G. Kim and H.M. Lee: Microstructural evolution of joint interface between eutectic 8Au-2Sn solder and UBM, Mater. Trans. 46 (25), 24-245 윤정원 ( 尹貞元 ) 1977 년생 전자패키징, 패키지신뢰성 e-mail : jwy4918@skku.edu 김종웅 ( 金鍾雄 ) 1978 년생 전자패키징, RF 패키징 e-mail : wyjd@skku.edu 구자명 ( 具滋銘 ) 1978 년생 전자패키징, 초음파접합 e-mail : iam@mrkoo.com 노보인 ( 盧寶仁 ) 1976 년생 전자패키징, 패키지신뢰성 e-mail : nohbi@skku.edu 정승부 ( 鄭承富 ) 1959 년생 전자패키징, 패키지신뢰성, 마찰교반접합 e-mail : sbjung@skku.ac.kr 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 1 號, 28 年 2 月 43