Journal of the Microelectronics & Packaging Society Vol. 19, No. 3, p. 49-56. 2012 http://dx.doi.org/10.6117/kmeps.2012.19.3.049 IMC 의영향에따른 Flip-Chip Bump Layer 의열변형해석 이태경 1 김동민 1 전호인 1 허석환 2 정명영 3, 1 부산대학교차세대전자기판회로학과, 2 삼성전기 ( 주 ), 3 부산대학교인지메카트로닉스공학과 Analysis on the Thermal Deformation of Flip-chip Bump Layer by the IMC's Implication Tae Kyoung Lee 1, Dong Min Kim 1, Ho In Jun 1, Seok-Hwan Huh 2 and Myung Young Jeong 3, 1 Education program for samsung advanced integrated circuit, Pusan National University, Geumjeong-gu, Busan 609-735, Korea 2 SEMCO ACI Division, 333 Noksan Sanupjoonggro, Gangseo-gu, Busan 618-819, Korea 3 Department of Cogno-Mechatronics Engineering, Pusan National University, Jangjeon 2-dong, Geumjeong-gu, Busan 609-735, Korea (2012 년 9 월 3 일접수 : 2012 년 9 월 17 일수정 : 2012 년 9 월 27 일게재확정 ) 초록 : 최근전자제품의소형화, 박형화및집적화에따라칩과기판을연결하는범프의미세화가요구되고있다. 그러나범프의미세화는직경감소와 UBM 의단면적감소로인하여전류밀도를증가시켜전기적단락을야기할수있다. 특히범프에서형성되는금속간화합물과 KV 의형성은전기적및기계적특성에큰영향을줄수있다. 따라서본논문에서는유한요소해석을이용하여플립칩범프의열변형을분석하였다. 우선 TCT 의온도조건을통하여플립칩패키지의열변형특성을분석한결과, 범프의열변형이시스템의구동에큰영향을미칠수있음을확인하였다. 그리고범프의열변형특성에큰영향을미칠것을생각되는 IMC 층의두께와범프의직경을변수로선정하여온도변화, 열응력및열변형에대한해석을수행하였으며, 이를통하여 IMC 층이범프에영향을미치는원인에대한분석을수행하였다. Abstract: Recently, by the trends of electronic package to be smaller, thinner and more integrative, fine bump is required. but It can result in the electrical short by reduced cross-section of UBM and diameter of bump. Especially, the formation of IMCs and KV can have a significant affects about electrical and mechanical properties. In this paper, we analyzed the thermal deformation of flip-chip bump by using FEM. Through Thermal Cycling Test (TCT) of flip-chip package, We analyzed the properties of the thermal deformation. and We confirmed that the thermal deformation of the bump can have a significant impact on the driving system. So we selected IMCs thickness and bump diameter as variable which is expected to have implications for characteristics of thermal deformation. and we performed analysis of temperature, thermal stress and thermal deformation. Then we investigated the cause of the IMC's effects. Keywords: Flip-chip, IMC, TCT, Diffusion, Thermal deformation, FEM 1. 서론 플립칩기술이란전기적장치나반도체소자들을다양한재료 ( 솔더범프, 전도성고분자필름, paste 등 ) 및방법 ( 증착법, 도금법, screen printing 등 ) 을이용한접속을통하여칩의표면이기판을향하도록하여칩을기판에실장하는기술이다. 1) 이러한플립칩기술은기존의주변정렬방식을가지는와이어본딩기술에비해패키지점유면적을크게줄일수있고외부잡음, 전기용량및인덕턴스값을기존의패키지에비하여월등히감소시킬수있으며, 전기적지연을줄일수있는장점이있어산업적으로널리활용되고있다. 플립칩기술은낮은작동온도에서더효과적으로전기 적신호의송수신이가능하며노이즈가적기때문에효율적인기능을수행할수있을뿐만아니라, 플립칩의수명향상을기대할수있다. 그러나플립칩은시스템의구동에따라발열이필연적으로증가하게되고, 열팽창계수 (CTE) 가상이한재료들이적층된구조로구성되어있기때문에모듈내의불균일한온도분포를형성하여서로다른물질간의계면에서균열과박리와같은문제점들이발생하게된다. 2-3) 따라서, 플립칩내의전기적집적에의해생성된열전달메커니즘을파악하고, 이에따른열저항및열응력을최소화하는것이플립칩패키징에있어서우선시되어야하는부분이다. 특히, 전자제품의소형화, 박형화및집적화에따라칩 Corresponding author E-mail: myjeong@pusan.ac.kr 49
50 이태경 김동민 전호인 허석환 정명영 과패키지기판을전기적으로연결하는범프의미세화가요구되고있으며, 이에따른범프의기계적특성에대한문제가현재큰관심을받고있다. 4-6) 이러한범프의미세화는직경감소와금속하부층 (Under Bump Metallurgy, UBM) 의단면적감소로인하여전류밀도를증가시키게되고, 이는일렉트로마이그레이션 (Electromigration, EM) 에의한전기적단락을야기시킬수있다. 또한범프의접합에따른금속간화합물 (Intermetallic Compound, IMC) 과커켄달보이드 (Kirkendal void, KV) 의형성은패키징에있어서의전기적및기계적특성저하에큰영향을미칠것으로사료된다. 그리고이와같은문제점들에대한원인을분석하고개선방안을마련하고자기계적, 열적및전기적특성평가에관한연구가관심을받고있으며, 현재우수한특성을가지는범프를구현하기위하여많은노력을기울이고있는실정이다. 7-14) 범프의경우, 온도의상승으로인하여열확산으로취약한성질을가지는 IMC층의성장이이루어지게되고, 이는재료의열팽창계수의차이에따른균열및박리를촉진시킬수있다. 그리고범프층에있어서높은전류밀도에따른급속한원자의이동은범프층의경계부분에 void의형성을촉진시키고기계적특성을크게저해시킬수있다. 본논문에서는유한요소해석을이용하여거시적관점에서플립칩패키지의발열에따른열변형특성을해석하고, 미시적관점으로솔더범프의열변형특성에큰영향을미칠것을생각되는 IMC층의두께와범프의직경을변수로선정하여온도변화, 열응력및열변형에대한해석을수행하였다. 그리고이를통하여 IMC층이범프에영향을미치는원인에대한분석을수행하고자한다. 2. 이론적배경 플립칩은칩, 솔더범프, 패키지기판, 솔더볼및메인보드로크게구분할수있다. 패키지의설계에있어서칩은 Joule heating 에따라하나의열원으로작용하게되고, 발생되는열은칩과패키지기판을연결하는솔더범프에의해이동하게된다. 그리고이동된열은메인보드와패키지기판을연결시키는역할을하는솔더볼에의해메인보드로빠져나가게되는것이다. 따라서이상적으로시스템이구동되기위해서는각요소들에있어서전기적및기계적특성이뒷받침되어야하며, 특히솔더범프나솔더볼에있어서의적절한전기적및기계적특성은반드시필요한부분이다. 플립칩패키지의발열특성을분석하기위한기본적인열전달메커니즘은 Fig. 1 와같이나타낼수있으며, 3 가지의기본적인물리적현상 ( 전도, 대류, 복사 ) 에의해열전달을구성하게된다. 플립칩의열원에서생성된열은전도에의해범프, 패키 Fig. 1. Heat transfer mechanisms. Fig. 2. Typical FCBGA structure and thermal path. 지기판, 솔더볼로전달되고, 열이분배되어진다. 그리고주위매개체 ( 공기 ) 에의한대류에의해열이이동하여소산된다. 그러나플립칩의경우, 절대온도의차이가작기때문에복사에의한열은무시할수있다. 또한칩의패키징이이루어지게되면, 내부유동움직임이적어지게되어전도를통하여대부분의열전달이이루어지게된다. 플립칩내에서발생된열의전달특성을평가하기위하여칩으로부터메인보도까지의전체열저항을분석할필요성이있다. 본연구에서는우선플립칩패키지전체에대한모델링을시행하고, 그에따른열전달특성을분석하였다. 열전달특성분석을위한시뮬레이션은유한요소해석을이용하여시뮬레이션을수행하였다. 그리고열해석의간소화를위해실제플립칩의구조를 Fig. 2 과같이모델링하였다. 그리고플립칩은서로다른재료의층이적층된구조를가지게된다. 따라서재료마다응력에따른열팽창의정도에영향을미치게되는탄성계수, Poisson's ratio, 열팽창계수의값이차이가나게된다. 이에따라서로다른열응력이가해지게되고, 접합층의경계부분에서서로다른방향및크기로의열변형을일으킨다. 그리고이러한영향은균열이나박리를발생시키는결과를가져올수있다. 3. FCBGA 패키지의열해석 3.1. 플립칩구조에따른열해석 플립칩패키지의열변형특성을분석하기위하여 Fig. 3 와같은패키지모델을기준모델로선정하여시뮬레이션을수행하였다. 마이크로전자및패키징학회지제 19 권제 3 호 (2012)
IMC 의영향에따른 Flip-Chip Bump Layer 의열변형해석 51 Fig. 3. Studied FCBGA package. Fig. 5. TCT profile. Fig. 4. Mesh generation of FCBGA. 본논문에서는 Comsol Multiphysics 의 Joule heating and thermal stress module 을이용하여식 (1) 과 (2) 를통하여선형탄성모델로 time dependent 해석을하였다. σ = F V (1) 온도조건을이용하였다. TCT 는상온 (25 o C), 고온 (125 o C) 및저온 (-40 o C) 의구간을형성하였다. 그리고승온, 냉각및유지시간은 300s 으로일정하게구현하였으며, 총 5700s 의평가시간을설정하였다. 앞에서언급한자료를토대로하여시뮬레이션에이용된 TCT profile 은 Fig. 5 와같으며, 그에따른 FCBGA 패키지의열변형특성의결과는 Fig. 6 에나타내었다. Fig. 6 에서볼수있듯이, 가열및냉각의과정을거치 T ρc p ----- + ρc t p u trans T = ( k T) + Q (2) 우선 IMC 의형성에따른플립칩패키지에있어서의열변형특성을분석하였으며, 부분모델링을통한범프의열변형특성을분석하였다. 그리고플립칩패키지의열변형특성분성을위하여 Fig. 4 와같이기존의모델의모델링작업과격자를생성시킨후그에따른열소산특성을분석하였다. 역학적모델은 Fig. 3 에제시한플립칩패키지의모델에나와있는치수의형태로모델링을하였으며, 중앙을기준으로 symmetry 해석을수행하였다. stress free state 은플립칩패키지가대칭되는부분을고정시키고그외의부분은 free 상태로조건을부여하였다. 그리고사용된모델의재료특성은 Table 1 에나타내었다. 본논문에서는 FCBGA 패키지의열변형을분석하기위하여시뮬레이션을통한 TCT(Thermal Cycling Test) 의 Table 1. Material properties of thermal analysis model 15) Si underfill FR4 SAC305 Density [kg/m 3 ] 2330 1400 1900 7380 Thermal conductivity [W/m o C] 148 0.24 0.294 50 Heat capacity [J/kg o C] 712 1150 970 232 Elastic modulus [GPa] 163 6.60 22.0 51 Poisson's Ratio 0.278 0.25 0.390 0.36 CTE [10-6 / o C] 2.6 33 50 40 Fig. 6. Simulated thermal deformation behavior of FCBGA. J. Microelectron. Packag. Soc. Vol. 19, No. 3 (2012)
52 이태경 김동민 전호인 허석환 정명영 면서 FCBGA 패키지의열팽창및열수축이지속적으로진행됨을확인할수있었으며, 마지막 TCT cycle 의 -40 o C 에서 32.8 µm, 125 o C 에서 49.1 µm, 25 o C 에서 4.1 µm 의열변형이나타남을확인하였다. 그리고 FCBGA 패키지의층을연결하는솔더범프의위치에대한열응력및열변형을분석하였고, 그결과를 Fig. 7 에나타내었다. Fig. 7 에서볼수있듯이, 가열및냉각이반복적으로이루어질때, 범프가칩의중심부분에서부터바깥쪽에위치할수록많은열응력이가해지게되고최대 75.4 MPa 의열응력이나타났다. 그에따라열에의한변형량이크게나타남을확인할수있었으며최대 11.7 µm 의열변형이나타났다. 이는반복적인열변형으로인하여 FCBGA 패키지의시스템구동에큰영향을미칠것으로사료된다. 본논문에서는범프내에서의열확산에따른원자이동으로인하여생성되는 IMC 층이범프의열변형특성에큰영향을미칠것으로사료되기때문에 IMC 층의형성에따른열변형분석을수행하였다. 3.2. IMC 층의형성에따른 FCBGA 패키지의열해석 유한요소해석을위하여기존의 FCBGA 패키지의범프에 2 µm 의 IMC 층을형성하였으며, IMC 의형성이범프 Fig. 8. Simulated thermal deformation behavior of FCBGA with IMC. Fig. 7. Thermal analysis of bumps. 에미치는영향을앞절과비교하여추가적인분석을수행하였다. 그리고그결과를 Fig. 8 에나타내었다. Fig. 8 에서볼수있듯이, 마지막 TCT cycle 의 -40 o C 에서 33.3 µm, 125 o C 에서 55.5 µm, 25 o C 에서 7.3 µm 의열변형이나타남을확인하였다. 그리고 IMC 의형성에따른 FCBGA 의열변형이고온인 125 o C 에서 6.4 µm, 상온인 25 o C 에서 3.2 µm 의열변형증가가나타났다. 그리고 IMC 층이 FCBGA 패키지의범프에미치는영향을 Fig. 9 에나타내었다. 해석결과, IMC 가형성된범프의경우, IMC 가형성되지않은범프에비해발생되는열응력이최대 144.5 MPa 의열응력이나타났으며, 이에따라 14.2 µm 의열변형이나타났다. 이는 IMC 층의형성이범프열변형에있어서큰영향을미칠수있다고판단된다. 따라서, 범프에형성되는 IMC 층에대한보다세부적인분석이요구되며, IMC 층의두께와범프의직경을변수 마이크로전자및패키징학회지제 19 권제 3 호 (2012)
IMC의 영향에 따른 Flip-Chip Bump Layer의 열변형 해석 53 Fig. 11. Current density of bump layers. Fig. 9. Thermal analysis of bumps with IMC. 로 선정하여 그에 따른 열응력 및 열변형 특성 시뮬레이 션을 수행하였다. 4. IMC의 두께와 범프의 직경에 따른 열해석 앞 절에서 FCBGA의 범프에 대한 IMC층의 영향을 분 석하였다. IMC의 존재 유무에 따라 범프와 IMC층의 경 계부분에서 큰 열응력이 발생하여 열변형량이 크게 증가 Fig. 12. Thermal analysis according to IMC thickness. Fig. 10. Flip-chip bump modeling. 함을 파악할 수 있었다. 본 논문에서는 범프에 형성되는 IMC층의 세부적인 분 석을 하기 위하여 IMC층의 두께를 구조적 변수로 선정하 여 그에 따른 열해석을 수행하였으며, 해석구조를 Fig. 10 에 제시하였다. J. Microelectron. Packag. Soc. Vol. 19, No. 3 (2012)
54 이태경 김동민 전호인 허석환 정명영 우선, IMC 층의두께에따른범프의열해석을위하여 1 µm, 2 µm, 2.5 µm, 3 µm 의 IMC 층을가지고있는 4 가지모델을구현하였다. 그리고각각의모델에대하여 1.5A 의전류를 3600s 의시간동안인가시켰을때발생하는열응력및열변형에대한열해석을수행하였으며, 그결과를 Fig. 11 과 Fig. 12 에나타내었다. Fig. 12(a) 의그래프에서전류의인가에따라 IMC 층부분에서발생되는발열이 IMC 층의두께가증가할수록크게상승함을확인할수있었다. 또한 Fig. 12(b) 와 Fig. 12(c) 에서발열에따라 IMC 층의경계부분에서발생되는열응력과열변형이 IMC 층의두께가증가함에따라선형 Table 2. Material properties of IMC 16) Ni 3 Sn 4 Density [kg/m 3 ] 8650 Thermal conductivity [W/m o C] 19.6 Heat capacity [J/kg o C] 444 Elastic modulus [GPa] 142.7 Poisson's Ratio 0.33 CTE [10-6 / o C] 13.7 적으로증가하는결과를확인할수있었다. IMC 층이 3 µm 일때, 가장발열이활발히일어나며, 그에따른열응력및열변형이 402.3 MPa, 0.0345 µm 으로가장큰값을나타내었다. 또한범프를구성하는층의열응력및열변형특성에대한분석결과를 Fig. 13 에제시하였다. 그리고 IMC 이미 Fig. 13. Thermal analysis of bump layers. Fig. 14. Thermal analysis according to height of bump. 마이크로전자및패키징학회지제 19 권제 3 호 (2012)
IMC 의영향에따른 Flip-Chip Bump Layer 의열변형해석 55 치는영향을분석하기위하여 Ni 3 Sn 4 의재료물성값을 Table 2 에나타내었다. Fig. 13 은 3 µm 의 IMC 가형성된범프의구조를나타내고있다. 이는 IMC 층을형성하는 Ni 3 Sn 4 의낮은열전도도에의해 IMC 층의두께가두꺼워질수록전기적및열적저항값이증가하게되고, IMC 의경계부분에서 Joule heating 이크게발생되어두께에따른온도상승이크게나타나게된다고판단된다. 그리고이와같은 IMC 층의영향은범프내에 void 의형성을촉진시키고, void 의성장에영향을미치게되어범프내부에균열및박리의문제를야기시킬수있다고사료된다. 본논문에서는낮은열전도도를가지는 Ni 3 Sn 4 로구성된 IMC 가형성된범프의미세화에따른열변형특성을분석을추가적으로수행하였다. 가장열변형이크게나타났던 3µm 의 IMC 층이형성된범프의직경을 160 µm, 140 µm, 120 µm, 100 µm 의변수로설정하였으며, 1.5A 의전류를인가하였을때, 범프의높이에따른열변형특성을평가하였다. 그리고그결과를 Fig. 14 에나타내었다. 해석결과, 범프의직경이낮아질수록발열이증가하여, 열응력및열변형이크게나타남을확인할수있었다. 범프의직경이 160 µm 에서 100 µm 으로낮아짐에따라 25.4 o C 의온도증가를보였다. 열응력의경우, IMC 층의경계부분에서가장높은값을보였으며, 범프의직경이작아짐에따라 118.4 MPa 의응력이더부가됨을확인할수있었다. 그리고열변형역시 IMC 의경계부분에서가장큰변형이나타남을확인하였으며, 직경감소에따라열변형이 17.5% 증가됨을확인하였다. 5. 결론 본논문에서는플립칩범프의열변형을분석하였다. 우선 TCT 의온도조건을통하여 IMC 의영향에대한플립칩패키지의열변형특성을평가하였다. 그결과, IMC 가존재하지않았을때에는최대 75.4 MPa 의열응력이나타났다. 그리고열변형의경우, 최대 11.7 µm 의열변형을나타내었다. 반면 IMC 의형성에따른플립칩패키지의열변형특성은최대 135.2 MPa 의열응력과, 14.2 µm 의열변형을보였다. 또한, IMC 가존재하지않는플립칩의경우, 범프의위치및 TCT cycle 에따른열응력변화가 15 MPa 로큰차이를보이지않았다. 그러나 IMC 가형성된플립칩범프의경우, 범프의위치에따른최대열응력이 26.2 MPa 로큰차이를보였다. 그리고 TCT cycle 에따라네번째 TCT cycle 에서열응력및열변형의정도가기존의 TCT cycle 에비해크게높아짐을볼수있었다. 그리고범프의열변형특성에큰영향을미칠것으로생각되는 IMC 층의두께를변수로선정하여보다세부적인온도변화, 열응력및열변형에대한해석을수행하였다. 그결과, IMC 층의두께가증가할수록범프층의온도가 84.7 o C 에서 147.0 o C 로상승하였다. 이에따라발생된열응력은 172.2 MPa 에서 402.3 MPa 로상승하였으며, 열변형역시 0.0109 µm 에서 0.0345 µm 으로변형량이증가되었다. 또한범프의미세화에따른열해석결과, 높이가낮아질수록높은발열로인하여열응력및열변형이 118.4 MPa 과 17.5% 의증가를확인하였다. 본논문에서는범프의미세화로인하여전류밀도가증가되고, 발열에따른 IMC 층의높은열응력및열변형이플립칩패키지의시스템구동에문제를발생시킬수있음을시뮬레이션을통하여확인하였다. 그리고범프의미세화에따른 copper post, 범프의직경와높이의상관관계, 범프의형상에따른열변형, 범프의사이즈에따른 open size 의최적화에대한분석이추가적으로요구된다. 그리고실제 Cu/IMC 계면에서의열저항이크게나타남에따라이경계면에서의발생하는온도상승에대한문제를분석할필요가있다고판단된다. 또한범프에형성되는 Cu 6 Sn 5, Cu 3 Sn 4, Ag 3 Sn 과같은 IMC 층에대한범프의변형특성을분석하고, 형성된 IMC 층에대한영향에대한분석이요구된다. 감사의글 본연구는한국연구재단을통해교육과학기술부의세계수준의연구중심육성사업 (WCU)(R31-20004) 으로부터지원을받아수행되었습니다. 참고문헌 1. C. F. Coombs, Printed Circuits Handbook, McGraw Hill Book Co., Chap.3, (2007). 2. Y. Song, S. B. Lee, S. H. Jeon, B. S. Yim, H. S. Chung and J. M. Kim Underfill Flow Characteristics for Flip-Chip Packaging, J. Microelectron. Packag. Soc., 16(3), 39 (2009). 3. J. H. Ann, K. S. Kim, Y. C. Lee, Y. Kim and S. B. Jung Regulation in Shear Test Method for BGA of Flip-chip Package, J. Microelectron. Packag. Soc., 17(3), 1 (2010). 4. J. U. Knickerbocker, et al., three-dimensional silicon integration, IBM Journal of Research and Development, 52(6), 553 (2008). 5. Sakuma, K. et al., Characterization of Stacked Die using Die-to-Wafer Intergration for High Yield and Throughput, Proc 58th Electronic Components and Technology Connf, Orlando, FL, pp.18-23 (2008). 6. J. W. Hwang et al., Fine pitch chip interconnection technology for 3D integration, Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 1399 (2010). 7. Y.- C. Chiou, Y.- M. Jen and S.- H. Huang, Finite element based fatigue life estimation of the solder joints with effect of intermetallic compound growth, Microelectronics Reliability, 51, 2319 (2011). 8. C. Yu and H. Lu, Growth Mechanism of the Cathode IMC Layer in Solder Bump Joints, Transactions of JWRI, Special Issue on WSE2011 (2011). J. Microelectron. Packag. Soc. Vol. 19, No. 3 (2012)
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