연구논문 스터드범프와 솔더범프로플립칩본딩된접합부의미세조직및기계적특성 이영규 고용호 유세훈 이창우 과학기술연합대학원대학교전자패키징공학과 한국생산기술연구원용접접합기술센터 Interfacial Microstructure and Mechanical Property of Au Stud Bump Joined by Flip Chip Bonding with Sn-3.5Ag Solder Young-Kyu Lee*, Yong-Ho Ko**, Sehoon Yoo** and Chang-Woo Lee**, *Dept. of Electronic Packaging Engineering, University of Science & Technology, Dae-Jeon 305-333, Korea **Advanced Welding & Joining Technology Center, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon 406-840, Korea Corresponding author : cwlee@kitech.re.kr (Received October 17, 2011 ; November 2, 2011 ; November 7, 2011) A bstract The effect of flip chip bonding parameters on formation of intermetallic compounds (IMCs) between Au stud bumps and Sn-3.5Ag solder was investigated. In this study, flip chip bonding temperature was performed at 260 and 300 with various bonding times of 5, 10, and 20 sec. AuSn, AuSn 2 and AuSn 4 IMCs were formed at the interface of joints and (Au, Cu) 6Sn 5 IMC was observed near Cu pad side in the joint. At bonding temperature of 260, AuSn 4 IMC was dominant in the joint compared to other Au-Sn IMCs as bonding time increased. At bonding temperature of 300, AuSn 2 IMC clusters, which were surrounded by AuSn 4 IMC, were observed in the solder joint due to fast diffusivity of Au to molten solder with increased bonding temperature. Bond strength of Au stud bump joined with Sn-3.5Ag solder was about 23 gf/bump and fracture mode of the joint was intergranular fracture between AuSn 2 and AuSn 4 IMCs regardless bonding conditions. Key Words : Au stud bump, Flip chip bonding, Interfacial reaction, Bonding strength 1. 서론 플립칩 을이용한전자패키지방식은칩의표면이기판을향하도록하고 접합하고자하는기판 에실장하여소자와기판사이의연결을최단거리로접합하기때문에신호길이단축으로인한인덕턴스성능을증가시키고 전기소모에대해효율적으로대응할수있을뿐아니라디바이스신호의많은입출력 수를허용하여초미세고집적전기접합분야에각광받고있는기술이다 일반적으로플립칩패키지는초미세범프를사용하여전기적 기계적접합을하게되는데범프의종류에는크게솔더 범프 골드 범프 폴리머 범프등이있다 미세피치솔더범프의경우 층위에전해도금을이용하여범프를형성하고플럭스를도포후리플로우 공정을통해범프를형성시키나 스터드범프는솔더범프에비해플럭스가필요없고 복잡한제조공정이없이기존골드와이어본딩방법을그대로이용하여범프를형성하는것이기때문에비교적간단한제조공정을가질뿐더러전기전도도가우수하고고
이영규 고용호 유세훈 이창우 주파수에도성능이뛰어나플립칩방식을이용한전자패 키지제조에많이사용되어왔다 스터드범프를사용하여플립칩본딩을하는경 우에는 를사용하여초음 파혹은가열 가압으로본딩하는방법과솔더페이스 트 나 계의솔더를도금하여범프를 형성한후리플로우를통해본딩하는방법이대표적으 로연구되어져오고있다 특히기판패드 위 에솔더를사용하여접합하는경우는 접착 제를사용하는경우보다낮은접촉저항과솔더의표면 장력에의한자가정렬 이되기때문에 칩과기판간정밀한본딩이이루어지고이에따른전 기적 기계적특성이뛰어나많이선호되고있다 스터드범프와기판 면에형성된솔더범프 간에접합을이루는경우의 공정순서를 에나타내었다 스터드범프와 가접합되면그계면에서는보통 의금속간화합물이형성된다 접합부의전기 적 기계적특성및신뢰성은미세구조 특히계면반응 과상변화에따라변화하게된다 이에접합부특성및 장기신뢰성을평가하기위해 와솔더사이의금속 간화합물의생성및온도와시간에따른미세조직의변 화에대한이해가필요하다 Solder Resist Underfill 1. Au Stud bumping 2. Pre Solder on Pad(SOP) Solder 3. Flip-chip bonding 4. Underfill 5. Final 많은연구자들에의해 Au Stud Cuped Substrate Chip 접합시스템이연구되어왔으나대부분의 범 프층과 합금층이비교적얇은필름 구조로진행되어 기계적특성이요구되는자동차전장분야 등에적용되는일정두께이상의 직접비교가어렵다 접합구조와는 본연구에서는 두께의 스터드범프와 두께의 의 를플립칩본딩하여플립칩 공정조건에따른접합부의미세구조와전단특성에대해 연구하였다 2.1 범프형성 2. 실험방법 두께의 가증착된 웨이퍼위에 와 를각각 두께로 을증착하여 스터드범프의형성을위한 의패드를형 성하였다 스터드범프는전체높이약 직경 약 의크기로일반적인와이어본딩공정을사용 하여 패드위에 를조 정하여형성하였다 칩내의범프개수와피치 는각각 개와 로하였으며 크 기로절단하였다 기판은 기반위에전해도금을사용하여 솔더범프를형성하였다 기판위에 은 를 각각 두께로증착하여 크 기의패드를형성하였고 솔더범프를리플로우할경 우용융솔더가 층전체에퍼지는것을방지하기 위하여 솔더범프가형성될영역을제외한부위에 용 를사용하여약 두께의솔더댐을형성하였다 이후 를형성하고솔더범프의높이를제 어하기위해약 두께의일반감광제 를다시노광 현상하여솔더범프의형성이가능하게 하였다 전해도금을실시하기전에솔더와의접합 을위한 전해도금을먼저실시하였다 시편표면 세척을위해산탈지및산세처리를하였고전처리후 의전류밀도로 분동안도금을하였다 전해도금용액은 사의 과 도금액을 의비율로혼합하여건욕하였다 전해도금 된시편을다시산탈지및산세처리를하여표면세척 을하였고 의전류밀도로 분동안도금을 하였다 도금시균일한도금형성을위해 의온도 에서도금용액에마그네틱스틱을사용하여 로물리적교반을하였다 도금후조성분석을위해
스터드범프와 솔더범프로플립칩본딩된접합부의미세조직및기계적특성 Base(501) Step 1 2 3 4 Si Au stud Ti Au Temperature ( ) 300 200 100 Pt1 Weight(%) Atom(%) Pt2 Weight(%) Atom(%) Ag-L 3.58 3.97 Cu-k 100.00 100.00 Sn-L 98.42 96.03 (a) (b) Load(2N) Sn-3.5Ag Si WPR Cu Ti Position ( μm ) Load (N) 0 10 20 30 40 Sec 0.05 0.00 2.3 미세구조관찰및접합강도시험 2.0 1.0 분석을하였으며그결과를 에나타내었 다 전해도금후구형의범프를형성하기위해플럭스 를도포한후 에서약 분간리플로우하였다 리플로우후솔더범프표면에묻어있는플럭스는 및 용매로제거하였다 형성된 솔더범프의높 이는약 였고 칩내의범프개수와피치 는각각 개와 로하였으며 크 기로절단하였다 제조된 스터드범프와 솔더범프를 에나타내었다 2.2 플립칩접합 플립칩접합은열압착 으로 수행하였다 본딩로드 는 고정하였고 본딩온도는 와 의두가지조건 에서수행하였으며이때본딩시간은 의 가지조건으로하였다 본딩시균일한범프높이 를위하여세번째스텝 에서본딩툴 의높 이를 로조절하였다 스터드범프가형성된 칩의초기온도를 로하였고 솔더범 프의기판초기온도는 로하였다 실험에수행된 플립칩본딩공정을 에도식화하였다 스터드범프와 솔더범프간접합부 의미세구조관찰을위해플립칩본딩된칩을에폭시 수지로마운팅하였고단면절단후연마지와알루미나 파우더를사용하여기계적연마를실시하였다 주사전 자현미경 을사용하여미세조직과금속간화 합물을 모드로관찰하였고 로성분분석을하였다 접합강도변화를조사하기위해 을장 착한접합강도시험기를사용하였다 높이 에서스 피드를 로전단하였고 과 를통해분석되었다 3. 결과및고찰 파단면관찰은 3.1 플립칩본딩시간에따른 Au 스터드와 Sn-3.5Ag 솔더의계면반응 플립칩본딩후 을사용하여관찰된단면 이미지를 에나타내었다 전체접합부의 높이는약 였다 측정결과로부터 스터 드범프와 솔더에생성된금속간화합물은 로규명되었다 본딩온도 에서 동안플립칩본딩시 상은약 의두께로 스터드범프위에얇게형성되어있었 고 상위에약 두께로 상이형성되어 있었다 상은바늘 타입과덩어리 타입으로형성되어있었다 에나타낸 상 태도는 함량이증가하면서 그리고 상이존재하고있었는데본연구에선 상은관찰되지않았다 일반적으로 상은
이영규 고용호 유세훈 이창우 (a) At 260 for 5sec (b) At 260 for 10sec (c) At 260 for 20sec 된 영역으로의확산이매우빠르고 영역으로 의확산이어렵게되어 상의형성이어렵거나형성이되었어도상변태에필요한충분한열적에너지를받았기때문에 상이쉽게관찰되지않은것으로판단된다 본딩시간이증가할수록 원자의많은확산으로인해 스터드범프는소모되었고 금속간화합물들은증가하였다 본딩시간 에서는 에비해접합부대부분이 상으로형성되어있었다 의 상은본딩시간의증가로인해 원자가용융솔더로고용해되어 응고시두껍게형성된것으로판단된다 한편 접합부내부에일부기공 이관찰되었는데이것은플립칩본딩중동일한범프높이를위하여세번째스텝에서본딩툴의포지션을 하여과도하게본딩툴의위치를높였기때문에응고시기포가트랩 되어기공이형성된것으로판단된다 Temperature( ) 1200 0 1000 800 600 400 200 0 Atomic percent tin 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Au Au 5 Sn Weight percent tin AuSn AuSn 2 AuSn 4 와용융된 사이에서가장먼저생성되는상이며 얇은 층에솔더링시용융된솔더내부로 가 완전히용해되어냉각후랜덤하게 의 상으로형성되는것으로알려져있다 스 터드범프의경우플립칩본딩시 스터드범프를 통해열이전달되어 원자가 Sn 로용융 3.2 플립칩본딩온도에따른 Au 스터드범프와 Sn-3.5Ag 솔더의계면반응 기공의형성을줄이고자세번째스텝에서본딩툴의 높이를 으로하여본딩한결과 의이미지 에서나타난것과같이기공은관찰되지않았다 이때 접합부의높이는약 였다 은본딩시본딩 툴의높이를 로하여본딩온도 와 에서 초간본딩된접합부의단면 이미지를나 타낸것이다 에확대된 이미지로부터 에서플립칩본딩된시편에서는 스터드범 프가 에비해더많이소모된것을알수있고 성분분석을통해 상으로둘러싸여있는덩 어리형태의 상이접합부내에서형성된것을확 인하였다 이는본딩온도의증가로 스터드범프의 소진과동시에많은양의 원자들이용융솔더로확산됨으로써냉각시 상을형성하고 온도가감 소하면서형성된 상과공존하는용융솔더와의포 정반응 에의해 상으로둘 러싸인덩어리형태의 상이형성된것으로판단 된다 3.3 Sn/Cu 의계면반응 은 에서 간플립칩본딩후 패드근처의단면 이미지이다 성분분석을 회하여얻어진평균결과로부터 위에형성된금속간화합물의조성은
스터드범프와 솔더범프로플립칩본딩된접합부의미세조직및기계적특성 (a) As bonded at 260 for 10sec (b) As bonded at 300 for 10sec 두께변화는크지않았으며약 로측정되었다 3.4 Sn-3.5Ag 솔더로플립칩본딩된 Au 스터드범프의전단강도및파단면 (a)-1 (a)-2 (b)-3 (b)-4 의 이미지로부터 본딩온도가 에서본딩된시편일경우 솔더쪽에서 보다 금속간화합물이더많이형성된것을알수있었고이결과로부터고온에서더많은 원자들이용융된솔더로확산되는것 을확인할수있었다 플립칩접합후 에서본딩된접합부의전단강도는 이고 에서의전단강도는 로측정되었다 전단강도테스트후파단면은접합조건과관계없이 상과 상의계면에서파단되었다 플립칩접합후형성된 상의두께가약 로매우얇고응력진행방향에따른응력집중이발생한것을고려하면 상과 상의계면에서파단이발생된것으로사료된다 4. 결론 스터드범프를 솔더에플립칩본딩 시본딩조건에따른미세구조의변화와접합부의기계 Solder bump-side Au stud bump-side Solder bump-top Au stud bump-top Solder bump-side (a) Au stud bump-side 으로측정되었다 와 의원자비율은 로거의 에가까웠다 이금속간화합물은 타입의 상으로설명될수있으며기보고 의결과 Solder bump-top Au stud bump-top 와비슷한조성비율로측정이되었다 상은플립칩본딩시 스터드범프의 원자들이용융된 솔더에접촉될때쉽게확산되어 상의다수의 원자들과치환된것으로판단된다 플립칩접합후조건에따른 상의 (b)
이영규 고용호 유세훈 이창우 적특성및파단면에대해연구한결과다음과같은결론을얻을수있었다 스터드범프와 솔더계면에는 의금속간화합물과 패드근처에선 금속간화합물이형성되었다 플립칩본딩온도 에서본딩시간이증가 할수록 금속간화합물들은증가하였고그중 금속간화합물이가장두껍게형성되었다 본딩온도 에서 에비해 스터드 범프가더많이소모되면서 상으로둘러싼덩어 리형태의 상이접합부내에형성되었는데 이는 증가된본딩온도로인해더많은 원자들이용융된 솔더내로확산되어나타난결과로판단된다 플립칩접합후 에서본딩된접합부의전단 강도는 였고 에서의전단강도 였으며 접합조건과관계없이 상과 상의계면에서파단이발생되었다 후 기 본연구는대한민국지식경제부과제지원으로수행되 었습니다 참고문헌