한국마린엔지니어링학회지제37권제4호, pp. 351 357, 2013. 5 Journal of the Korean Society of Marine Engineering (ISSN 2234-8352 Online) / (ISSN 2234-7925 Print) http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2013.37.4.351 언더필공정에서레이싱효과와계면병합에대한가시화 김영배 1 김선구 2 성재용 3 이명호 ( 원고접수일 :2013 년 1 월 21 일, 원고수정일 :2013 년 3 월 14 일, 심사완료일 :2013 년 3 월 22 일 ) Visualization for racing effect and meniscus merging in underfill process Young Bae Kim 1 Sungu Kim 2 Jaeyong Sung 3 MyeongHo Lee 요약 : 플립칩패키징에서언더필공정은칩과기판사이를에폭시로채워서본딩하는공정으로제품의신뢰성향상을위해수행되어진다. 이언더필공정은모세관현상에의해서이루어지는데유체의계면과범프의배열이계면운동에미치는영향으로인하여공정중예기치않은공기층을형성하게된다. 본연구에서는모세관언더필유동에서나타나는비정상계면유동을가시화하여범프배열에따른레이싱효과와계면의병합현상에대하여고찰하였다. 그결과, 플립칩내부의범프가고밀도일수록유체의흐름방향과수직방향의유동이더욱활발하게진행되어더많은공기층이형성되었으며, 엇갈린배열일경우직각배열에비해이러한현상이더지배적으로나타난다. 주제어 : 플립칩, 모세관, 언더필공정, 레이싱효과, 계면병합 Abstract: In flip chip packaging, underfill process is used to fill epoxy bonder into the gap between a chip and a substrate in order to improve the reliability of electronic devices. Underfill process by capillary motion can give rise to unwanted air void formations since the arrangement of solder bumps affects the interfacial dynamics of flow meniscus. In this paper, the unsteady flows in the capillary underfill process are visualized and then the racing effect and merging of the meniscus are investigated according to the arrangement of solder bumps. The result is shown that at higher bump density, the fluid flow perpendicular to the main direction of flow becomes stronger so that more air voids are formed. This phenomenon is more conspicuous at a staggered bump array than at a rectangular bump array. Keywords: Flip-chip, Capillary, Underfill process, Racing effect, Meniscus merging 1. 서론 플립칩기술은고성능부품의패키징과칩과기판을연결하는전기적연결부의고밀도화에따른공정상의요구를충족시키기위해널리사용된다 [1]. 플립칩은솔더범프로패턴화된칩의표면을뒤집어솔더볼이부착된기판과직접적으로연결하는기술이다. 플립칩기술로인해전기적연결부의단축된길이는기존의긴와이어연결에비해전기적성능 을향상시키는이점을가진다 [2]. 그러나플립칩패키징에서실리콘칩과유기기판사이의열팽창계수의차이때문에열처리과정중전기적열결부에중대한열적피로를초래한다 [3]. 이열적피로는솔더범프의깨짐이나전기적결함이발생시키는데이를방지하기위해언더필에폭시를칩과기판사이의좁은틈을통해충진시키는언더필공정이필요하게된다. 모세관언더필공정은유체가모세관현상에 교신저자 :(139-743) 서울특별시노원구공릉길 138 번지, 서울과학기술대학교기계자동차공학과, E-mail: myeong@seoultech.ac.kr, Tel: 02-970-6322 1 서울과학기술대학교에너지환경대학원, E-mail: ooship@seoultech.ac.kr, Tel: 02-971-6322 2 서울과학기술대학교대학원, E-mail: sungu09@gmail.com, Tel: 02-971-6322 3 서울과학기술대학교기계자동차공학과, E-mail: jysung@seoultech.ac.kr, Tel: 02-970-6398
김영배ㆍ김선구ㆍ성재용ㆍ이명호 의해끌려들어갈수있는미세한틈을구성한칩에단방향혹은양방향의둘레를따라언더필에폭시를토출하는것이다 [4]. 모세관현상에기초한충진과정때문에칩의범프구조가고밀도화될수록긴충진시간이필요하며이에대한많은연구가진행되어왔다 [5][7]. 그러나언더필에폭시가불균일하게분포될때발생하는공기층은마이크로전자패키징에서심각한신뢰성문제를발생시킨다. 본연구에서는서로다른범프배열에따른유체계면의비정상적유동을분석하고자한다. 이를위해직각범프배열 (rectangular bump array) 과엇갈린범프배열 (staggered bump array) 의범프구조를가진플립칩시편을제작하였고역상현미경과고속카메라를이용하여계면의유동현상을가시화하였다 [8]. 획득한영상을통하여유체가시편을충진시키는시간을비교분석하고계면과범프표면의상호작용현상에따른레이싱효과를분석하여비정상계면의병합현상을규명하고자한다. 2.2 언더필계면의유동측정 Figure 2는마이크로 PIV 실험장치의개략도를나타낸다. 언더필유동을가시화하기위해서 40 배의대물렌즈로구성된역상현미경을이용하여모세관유동의영상을얻었다. 작동유체는글리세린을사용하였고실린지펌프를이용하여정량의유체를형성한후플립칩시편앞에유체를닿게하였다. 플립칩시편앞에유체가닿는순간모세관력에의해서유체가플립칩시편안으로들어가기시작한다. 유동을가시화하기위해서계면의이미지는 1280 x 1024 픽셀의해상도를갖는고속카메라로초당 500 프레임으로얻어졌다. 이미지분석은빛의굴절에의해발생하는계면과유체의명암비를이용하여계면의이동을관측하였다. 2. 실험장치및방법 2.1 투명한플립칩시편의제작 Figure 1은언더필유동을가시화하기위하여직각과엇갈린범프배열로만들어진시편이다. 플립칩시편은 SOG(silicon on glass) 웨이퍼의실리콘부분을식각하여서만들어졌다. 그리고유리평판과범프는어닐링본딩 (anneling bonding) 을이용하여본딩하였으며플립칩시편은가시화를위해양쪽면모두투명하게만들어졌다. 범프의지름은 50 mm이고범프사이의피치 (W) 는각각 80, 100, 120, 160 mm이며유리평판사이의간격은 50 mm이다. Figure 1: A flip chip specimen to visualize the underfill flow Figure 2: Schematic of the experimental setup 3. 결과및고찰 3.1 직각과엇갈린범프배열로구성된시편을이용한충진시간비교 Figure 3은직각과엇갈린범프배열로구성된시편에서다양한범프피치 W에대한충진시간 (filling time) 을모세관계면의이동거리 (wetting distance) 에대한함수로나타내었다. 측정된데이터는각시편별로 30회이상의실험결과중충진이완료된 3회의실험데이터를평균한것이다. 이동거리는플립칩시편의끝부분에서계면이위치한지점까지의거리를나타낸다. 실제데이터에서는계면위치가불규칙하기때문에수직방향으로 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 4 호 (2013. 5) 352
언더필공정에서레이싱효과와계면병합에대한가시화 평균한데이터를사용하였다. 3000 μm까지의충진시간은범프피치 80, 100 μm에서직각배열의경우69, 53초이며엇갈린배열의경우 44초로동일하였다. 전체적인충진시간의형태는유체가시편끝단에닿은직후계면의이동속도는빠르며이후점차느려졌다. 범프의배열에관계없이범프피치가작을수록임의의이동거리까지도달하는데필요한충진시간이더길게나타났다. 그러나엇갈린범프배열의경우 2,000 m 이후부터는범프피치의간격에상관없이임의의이동거리까지도달하는데비슷한충진시간이소요되었다. 로계면이끌어당겨지는부착효과가유동에지배적인영향을주기때문에계면은후방으로더욱구부러지게된다. 유체의계면이솔더범프에서떨어질때 (b), 범프의표면과계면이부착된볼록한형태로전방으로굽는다. 계면이전방으로볼록한크기는충진시간이짧은고속유동일수록더커졌다. 이것은빠른유속이계면을전방으로미는힘이더욱강하기때문에발생하는현상이다. 계면이범프가없는지역을지날때 (c), 계면은선형으로균일하게흘러가는것으로나타났다. 여기서는범프에의한저항이없기때문에고속유동일수록계면의이동속도가빠르게된다. Figure 4: Variations of meniscus according to the filling time; (a) attaching process, (b) detaching process, (c) movement in the non-bump region Figure 3: Overall filling times for various bump pitches according to the type of bump array Figure 4는범프피치 120 m 을가진엇갈린범프배열의시편에서충진시간에따른유체계면의변화를나타낸것이다. 각이미지는부착과정 (a) 과탈착과정 (b) 그리고범프가없는지역 (c) 에서의계면의형상을낸다. 또한충진시간에따라고속유동 (3s) 과저속유동 (60s) 으로구분하였다. 유체의계면은솔더범프에부착되었을때 (a), 계면은오목한형태를만들며후방으로구부러졌다. 계면이후방으로오목한정도는충진시간이긴저속유동일수록더커졌다. 이것은유체가플립칩의입구로들어갈때발생하는빠른유속으로인해후방으로구부러진계면을더욱평평하게해주는역할을하기때문이다. 반면저속유동에서는범프의표면으 위결과를토대로 Figure 3에서엇갈린범프배열이직각범프배열보다충진시간이더짧다는것을설명할수있다. 고밀도의엇갈린범프배열의경우, Figure 4 (b) 와같이계면이볼록한형태로구부러지면계면으로부터전방범프의위치가볼록한계면의중심에놓이기때문에계면의범프간이동이수월해진다. 따라서직각범프배열보다더욱빠르게진입할수있게되므로동일한밀도의범프에서엇갈린범프배열이충진시간이더짧아지게된다. 반면저밀도의경우, 범프간격이넓어져계면이범프에닿기전에탈착과정이발생하여 Figure 4 (c) 와같은형태로바뀌게된다. 따라서저밀도의범프구조에서는범프의배열에관계없이비슷한충진시간을가지게된다. 3.2 범프배열과밀도에따른레이싱효과측정 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 4 호 (2013. 5) 353
김영배ㆍ김선구ㆍ성재용ㆍ이명호 레이싱효과 (racing effect) 는한쪽가장자리에서투입된작동유체가모세관력으로충진하는데있어위치에따라충진속도가다르게나타나는것을말한다. 특히측면경계를따라서모세관계면의이동속도가매우빠르게나타나며점차내부로전파되는현상을보인다. 따라서레이싱효과에의해모세관계면의특정부분이빨라지면상대적으로느린속도의계면에어떠한영향을미치는지를알아보기위해직각범프배열로구성된시편에서범프밀도에따른계면의이동을가시화하였다. Figure 6: Movement of meniscus by the racing effect at the bump pitch 160 μm in the rectangular array; (a) movement of vertical meniscus, (b) attaching process, (c) detaching process, (d) variations of meniscus angle Figure 5: Movement of meniscus by the racing effect at the bump pitch 80 μm in the rectangular array; (a) movement of vertical meniscus, (b) detaching process, (c) variations of meniscus angle, (d) successive detaching process Figure 5는 80 m의범프피치간격을가진직각범프배열로구성된시편에서레이싱효과에의한계면의이동을나타내었다. 획득된이미지는계면의진행과정에시간에따라나열하였다. (a) 는균일한유체의흐름을가진계면에서레이싱효과에의한수직방향의계면이발생하는과정을나타낸다. 수직방향의계면은범프 A에부착되어이동하다가범프 A와 A' 을연결하는계면과만나게된다. 이후 (b) 와같이수직방향의계면은범프 B에부착됨과동시에범프 A에부착된계면을모두탈착시킨다. 이때계면은 A' 과 B를연결하게되며범프가없는영역을지나면서속도가빨라진다. (c) 는계면이범프 B' 에부착되기직전의이미지로유동의속도가빨라져계면이최대한으로볼록하게구부러진모양을나타낸다. 이후 (a)~(c) 까지의반복과정을통하여 (d) 와같이계면은범프 A" 와 B" 로이동하게된다. Figure 6은범프피치간격 160 m를가진계면의이동을나타내었다. (a) 에서는균일한유체의흐름을가진계면의이동모습을볼수있고, (b) 에서는범프 B에부착되는과정을나타낸다. 이후계면은 (c) 와같은탈착과정을통해 (d) 의과정으로진행되며계면이범프로부터탈착되기위한접촉각은범프피치 80, 100 m에서각각 74, 82 이다. 따라서고밀도플립칩의경우레이싱효과에의한계면의탈착과부착과정이동시에일어나는반면, 저밀도플립칩의경우부착이후탈착의과정이시간간격을두고진행된다. 따라서계면이오직모세관력에의해서유동한다면고밀도플립칩에서유체의흐름방향과수직방향으로의유동이더욱활발해진다. 엇갈린범프배열의경우계면과부착될범프표면과의거리가짧아지게된다. 따라서범프 B에서의 B' 로이동하기위해계면이범프에부착된각이 b까지도달하기가직각범프배열보다수월하다. 3.3 레이싱효과에의한범프사이모세관계면의병합현상해석레이싱효과에의해모세관계면의속도가달라지면 Figure 7의 (a) 와같이유동이빠른측면의계면이유동이느린중앙의계면과서로교차하게되어계면들간의병합 (merging) 되는현상이발생할수있다. 이때병합된부분에서계면의교차로인해유동이칩의중앙으로모여드는현상이나타난다. 하지만 (b) 와같이측면의계면이비정상적 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 4 호 (2013. 5) 354
언더필공정에서레이싱효과와계면병합에대한가시화 으로과발달하면유체의흐름과수직방향의흐름이발생하게된다. 이후수직방향의계면이중앙의계면과병합되며교차하지못한부분에서는공기층이발생하게된다 [9]. Figure 7: Merging of meniscus by the racing effect; (a) difference of meniscus velocity at the center and edge flows (b) causing voids at intersection Figure 8: Merging of meniscus at the bump pitch 100 μm in the rectangular array; (a) the early flow fronts, (b) flow fronts encountered at the centers, (c) flow fronts encountered at the left edge and center, (d) flow fronts encountered at the right edge and center, (e) voids produced after the filling process 으로유속이빠른측면과중앙의계면이서로교차되어병합되었다. 이러한현상들로인해언더필과정이끝난후인 (e) 에서는상당히큰크기의공기층이생성되었다. 따라서레이싱효과에의해측면유동이발달할수는있으나오히려비정상적인계면병합으로인한공기층의형성은더욱두드러지게나타난다. Figure 9는 80 m의범프피치간격을가진엇갈린범프배열로구성된시편에서계면병합현상을나타내었다. 전과는반대로계면의이동속도에영향을미치는레이싱효과를최소화하기위해측면경계가없는시편을제작하여사용하였다. (a) 에서전체적인유체의흐름은중앙과좌우측면에집중되어발달하였는데, 측면이발달하는이유는범프의배열이엇갈려놓여있어서속도가한번발달하면계면의범프간이동이쉽게이루어지기때문이다. (b),(c) 에서측면의계면이중앙의계면과병합되는현상이나타났다. (d) 에서측면으로발달된계면이중앙의계면보다먼저플립칩의끝단에닿으면서중앙으로모여들어큰공기층을형성해간것을볼수있다. (e) 는진행과정이끝난후생성된공기층을나타내었다. 따라서엇갈린범프배열이직각범프배열보다충진속도가빠른반면측면의유동이비정상적으로발달하는경우가발생하므로오히려더큰공기층이형성되어나타난다. 위와같은레이싱효과에의한계면간의병합현상을실험적으로고찰해보았다. Figure 8은 100 m의범프피치간격을가진직각범프배열로구성된시편에서발생하는계면의병합현상을나타내었다. 계면의이동속도에영향을미치는레이싱효과를극대화하기위해측면경계가있는시편을제작하여사용하였다. (a) 는레이싱효과의영향으로측면의계면이이동속도가매우빠르게나타났다. (b) 는중앙의계면중일부가정체현상을나타내며병합되었다. (c) 와 (d) 는중앙의유동이미치지못하는일부분에정체현상을나타내며상대적 Figure 9: Merging of meniscus at the bump pitch 80 μm in the staggered array; (a) the early flow fronts, (b) flow fronts encountered at the left edge and center, (c) flow fronts encountered at the right edge and center, (d) encountering of the left and right edge flows, (e) voids produced after the filling process 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 4 호 (2013. 5) 355
김영배ㆍ김선구ㆍ성재용ㆍ이명호 3.4 모세관계면의병합에영향을미치는물리적인자규명및공기층생성저감위의연구결과들을바탕으로밀도와배열그리고레이싱효과가모세관계면의병합에상당한영향을미친다는것을알수있다. 플립칩내부의범프가고밀도일수록유체의흐름방향과수직방향의유동이더욱활발하게진행되며엇갈린배열일수록임의의지점에유동이비정상적으로발달하어공기층을형성하게된다. 또한레이싱효과는측면의유동을과발달시켜공기층형성의원인이된다. 따라서공기층의형성을억제하기위해서는유체의흐름방향과수직방향의유동이없도록저밀도의범프로설계하는것과측면의레이싱효과가없도록설계하는것그리고임의의지점에유동을발달시키지않도록엇갈린범프배열의구조는피하는것이바람직하다. 이세가지인자들을고려하여공기층생성을저감하는직각범프배열로구성된시편을제작하였다. 전자패키징공정중모세관언더필과정에서나타나는비정상계면의유동을가시화기법을통해분석하였다. 가시화를위해직각과엇갈린범프배열로구성된플립칩시편을제작하였고작동유체로써글리세린을사용하였다. 3000 μm까지의충진시간은범프피치 80 μm에서직각범프배열의경우 69초엇갈린범프배열의경우 44초로더빠르게나타났다. 또한레이싱효과에의해엇갈린범프배열에서측면유동의속도가과발달되는현상이나타났다. 이런과발달된계면은병합현상에의해더많은공기층형성의원인이된다. 따라서플립칩공정에서공기층의생성을억제할수있는직각범프배열이공정상신뢰성을더욱높일수있다. 후기 이연구는서울과학기술대학교교내학술연구비지원으로수행되었습니다. 참고문헌 Figure 10: Movement of meniscus at the bump pitch 80 μm in the rectangular array; (a) the early flow fronts, (b) the final flow fronts, (c) no void produced after the filling process Figure 10은 100 m의범프피치간격을가진측면경계가없는직각범프배열로구성된시편을가시화하여나타내었다. (a) 는측면에경계가없어계면의속도가측면으로갈수록매우느리게나타났다. 전체적인유동은중앙의좌우를따라발생하였고 (b) 와같이시간이지나도전체적으로균일한계면의이동을보였다. 최종적인진행과정이끝난후인 (c) 에서보듯이공기층은생성되지않았다. 4. 결론 [1] R. R. Tummala, Fundamentals of Microsystems Packaging, McGrew-Hill, 2001. [2] Y. B. Kim, and J. Sung, Capillary-driven micro flows for underfill process in microelectronics package, Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 26, no. 12, pp. 3751-3759, 2012. [3] D. Suryanarayana, R. Hsiao, T. P. Gall, and J. M. McCreary, Enhancement of flip-chip fatigue life by encapsulation, IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, vol. 14, no. 1, pp. 218-223, 1991. [4] M. H. Gordon, G. Ni, W. F. Schmidt, and R. P. Selvam, A capillary-driven underfill encapsulation process, Advanced Packaging, vol. 8, no. 4, pp. 34-37, 1999. [5] T. Hashimoto, T. Shin-ichiro, K. Morinishi, and N. Satofuka, Numerical simulation of conventional capillary flow and no-flow underfill in 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 4 호 (2013. 5) 356
언더필공정에서레이싱효과와계면병합에대한가시화 flip-chip packaging, Computers and Fluids, vol. 37, no. 5, pp. 520-523, 2008. [6] J. W. Wan, W. J. Zhang, and D. J. Bergstrom, Experimental verification of models for underfill flow driven by capillary forces in flip-chip packaging, Microelectronics Reliability, vol. 48, no. 3, pp. 425-430, 2008. [7] J. W. Wan, W. J. Zhang, and D. J. Bergstrom, Numerical modeling for the underfill flow in flip-chip packaging, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, vol. 32, no. 2, pp. 227-233, 2009. [8] K-D. Ro, J-T. Park, and Y-S. B, The visualization of the flow field through tube banks with in-line and staggered arrangements using the PIV, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 33, no. 1, pp. 44-51, 2009 (in Korean). [9] L. Nguyen, C. Quentin, P. Fine, B. Cobb, S. Bayyuk, H. Yang, and S. A. Bidstrup-Allen, Underfill of flip chip on laminates: simulation and validation, IEEE Transactions on Components and Packaging Technology, vol. 22, no. 2, pp. 168-176, 1999. 한국마린엔지니어링학회지제 37 권제 4 호 (2013. 5) 357