The demand for Pb-free and high-density interconnection technology is rapidly growing. Electroplating bumping method is a good approach to meet fine pitch requirements especially for high volume production because the volume changes of patterned solder bumps during reflow is not so large compared with stencil printing method. Another important issue for future flip chip interconnects is to optimize the Under Bump Metallization (UBM) system for high-density, high power, and Pb-free solder bumps. This thesis is composed of three main parts: bumping process development, UBM interface reactions, and flip chip electromigration.
The electroplated bumping process developments are described in Chapter 3. The UBM deposition, thick photoresist film pattern, electroplating, and UBM layer-etching processes are optimized for eutectic Pb/63Sn solder bumping process. For Pb-free solders, Bi/43Sn and Sn/3.5Ag solders are selected as alternatives to replace the eutectic Pb/63Sn. The Bi/43Sn is for the low temperature application. And the eutectic Sn/3.5Ag has been reported to have good ductility and solderability. It was found that plated Sn/Ag bump becomes Sn/Ag/Cu by reflowing when Cu containing UBM (Under Bump Metallurgy) is used. Therefore, the composition of small size solder bumps can be determined only after the whole assembly process -bumping reflow, flip-chip bonding reflow, underfill process, and following assemblies - has been finished.
For the UBM interface reaction study, the traditional Cr/CrCu/Cu based UBM systems were compared with Pb/63Sn solder bumps in Chapter 4, and this UBM study was extended to four different types of UBM systems also with Pb-free solder bumps in Chapter 5. In Chapter 4, the intermediate CrCu layer is modified using various sputtering techniques, and the underlying Cr adhesion layer is compared with TiW. The results demonstrate that the final Cu layer should have a minimum thickness, more than 0.8 μm, for interface stability on CrCu based UBMs. Intermetallic compound growth and CrCu layer interface changes are more severe after 20 min reflow at 210℃ compared with 1000 hours aging at 125℃. Especially for small size bumps, the more stable interface between UBM and solder bump is required. In chapter 5, four UBM systems, sputtered TiW 0.2 μm /Cu 0.3 μm /electroplated Cu 5 μm, sputtered Cr 0.15 μm/Cr-Cu 0.3 μm/Cu 0.8 μm, sputtered NiV 0.2μm / Cu 0.8 μm, and sputtered TiW 0.2μm/ NiV 0.8 μm were investigated for interfacial reaction with electroplated Pb/63Sn and Sn/3.5Ag solder bumps. Both Cu-Sn and Ni-Sn IMC (Intermetallic Compound) growth were observed to spall-off from the UBM/solder interface when the solder wettable layer is consumed during liquid-state 'reflow' process. This IMC spalling mechanism differred depending on the barrier layer material. However, the IMC spalling phenomena did not decrease the bump shear strength with a bump size of 110 μm, whereas a size of 60 μm brought a decrease in shear value and failure mode change.
In thermo-electromigration test in Chapter 7, it was found that metal atoms move in the same direction as the electron current flows but the atomic flux is different depending on UBM material and its thickness. Electromigration-induced failure appears earlier in eutectic Pb/63Sn than in Sn/Ag(/Cu). In Pb/63Sn solder bump, the main failure origin is fast Pb-rich phase flux and the subsequent void formation inside solder bump. But the NiV/Cu UBM showed earlier MTTF than other two UBMs. It is presumably due to fast material depletion of Ni containing UBM/solder interface. In Pb-Free Sn/Ag(/Cu) solder bumps, in all UBM cases, the void accumulation at cathode UBM/solder interface by atomic movement induces failures. To increase flip chip electromigration resistance, higher melting point Pb-free SnAgCu solder is more favorable than Pb/63Sn because it has lower diffusivity at a certain temperature. However, its higher reactivity with UBM layer should be carefully considered. In addition, thicker UBM is better than thin UBM because the main material depletion site is decoupled from current crowding interface.
본 연구에서는 고집적 플립칩 접속을 방법으로서 전해도금을 이용한 솔더범핑 방법을 제시하였다. 공정 조성의 주석/납, 비스무스/주석, 주석/은 3가지의 솔더를 이용한 범핑공정이 개발되었다. 웨이퍼 전면에 걸친 솔더범프의 조성과 높이의 균일도의 조절이 전해도금을 이용한 범핑공정의 핵심기술이다. 본 연구에서는 3원계 주석/은/구리 무연솔더범프를 만드는 공정으로서 구리를 포함하는 UBM층에 주석/은 합금을 전해도금을 이용한 범핑을 이용하는 것을 제안하였다. 이는 리플로 공정중에 UBM층의 구리가 솔더 내로 확산되어 가는 현상을 이용하는 것으로 1 wt.% 이하의 구리조성을 가져야하는 삼원계 솔더범프를 효과적으로 만들 수 있다.
플립칩 접속에 있어 Under Bump Metallization (UBM)층은 솔더 범프와 소자의 금속 패드 사이에 위치하면서 계면간의 좋은 합착력, 확산 방지막, 솔더 젖음막의 역할을 제공한다. 제 4장에서는 고전적인 Evaporated Cr/CrCu/Cu UBM을 스퍼터링 방법을 이용하여 다양하게 변형하어 공정 주석/납 솔더 범프와의 계면 특성을 고찰하였다. 50-50 wt.% 합금 타겟을 이용한 CrCu 층, 얇은 Cr막과 Cu막을 32층 적층한 CrCu sandwich 층, co-depostion 방법을 사용한 CrCu층 등 3가지의 변형된 CrCu 층들이 제작되었고 그들의 계면반응이 연구되었다. 20분이상 용해상태의 솔더 리플로를 행할 경우에 $Cu_6Sn_5$ 금속간화합물이 계면에서 떨어져나가는 Spalling 현상이 모든 CrCu층에서 발견이 되었으며 이 Spalling이 일어나는 시간은 CrCu층의 종류보다는 최종 구리층의 두께와 가장 큰 상관관계를 나타내었다.
제 5장에서는 4가지의 다른 형태의 UBM층들과 공정 주석/은과 주석/납 솔더 범프들의 계면반응이 연구되었다. 선택된 네가지의 UBM층들은 TiW/Cu/electroplated Cu, Cr/CrCu/Cu, NiV/Cu, TiW/NiV 이었다. 높은 주석농도를 가지는 주석/은 솔더가 높은 계면반응 속도를 나타내었다. 금속간화합물의 Spalling현상은 20분이상의 용융리플로 공정시 Cr/CrCu/Cu와 TiW/NiV UBM들에서 나타났다. TiW/NiV에서의 Spalling은 주석/은 솔더와의 경우에서만 나타났다. 고상의 annealing시에는 금속간화합물은 모든 UBM의 경우에 연속적인 층의 형태로 성장하였다. 그러나 이러한 다양한 계면반응의 효과는 110 마이크로의 솔더범프의 Bump Shear Test를 통해서는 직접적인 연관성을 나타내지 않았다. Shear Test를 통해 나타난 파면은 UBM/솔더 계면이 아니라 대부분 솔더내의 연성파괴 성향을 보였다. 반면에 같은 계면상태를 가지는 60마이크로 크기의 솔더범프들에서는 파면이 계면반응의 진행과 함께 다양하게 변화함이 관찰되었다. 이는 미세한 크기를 가지는 접속에서 계면반응이 접속의 신뢰성에 미치는 영향이 크다는 것을 의미한다.
두가지의 특이한 금속간화합물의 성장거동이 제 6장에서 다뤄졌다. 금속간화합물들의 계면 형상과 Spalling현상이 고찰되었다. $Cu_6Sn_5$ 의 경우는 금속간화합물을 형성하려는 변형 에너지에 비해 상대적으로 높은 원자들의 열적 운동성 때문에 원자들이 표면에서 쉽게 움직여서 계면에너지를 낮추는 매끄러운 표면을 형성하게 된다. 반면에 $Ni_3Sn_4$ 에서는 변형에너지에 비해 원자들의 운동성이 낮기 때문에 원자들이 계면에 결정구조를 유지하는 형태로 성장하기 때문에 각이 진 표면의 형대로 성장을 하게 된다. 금속간화합물의 Spalling에 있어서는 기존에 설명되던 금속간화합물과 용융 솔더와의 계면에너지를 감소시키는 영향 외에도 TEM 분석을 통해 관찰된 금속간 화합물과 잔류 UBM사이에 형성되는 Kirkendall void들의 존재가 Spalling을 용이하게 하는 경향이 있는 것으로 사료된다. 이는 열역학적으로는 금속간 화합물을 형성하는 타이타늄과 주석사이에서도 IMC spalling이 일어나는 현상에서 볼 수 있듯이 금속간 화합물의 spalling은 에너지의 상관관계 외에도 Kinetics적으로도 고찰되어야 한다.
제 7장에서는 여러가지 다양한 UBM들과 주석/은(/구리)혹은 주석/납 솔더 조합에서 Electromigration으로 인한 파괴 기작을 비교하여 보았다. 일반적으로는 높은 융점을 가지는 주석/은(/구리) 솔더 범프가 이보다 낮은 융점을 가지는 주석/납 솔더보다 높은 electromigration 저항성을 보였는데, 이는 같은 온도에서 융점이 높은 물질의 확산계수가 낮아 물질의 이동속도가 낮기 때문이다. 그러나 주석 농도가 높은 주석/은(/구리) 솔더 범프는 UBM과의 계면반응성이 높기 때문에 이를 고려하여야 한다. 예로서 Cr/CrCu/Cu UBM의 경우에는 주석/은(/구리) 솔더 범프와의 MTTF가 주석/납 솔더범프보다 짧게 나타났는데, 이는 플립칩 접속공정시에 이미 계면 금속간화합물의 spalling이 나타나서 매우 취약한 계면구조를 가지기 때문이다. 모든 경우에 주석/은(/구리) 범프의 파괴 원인은 양극 UBM/솔더 계면의 Void축척으로 나타났다. 한편 주석/납 솔더범프의 경우는 솔더 자체의 electromigration으로 인한 솔더내의 void형성이 주된 파괴의 원인으로 나타났는데, 계면 polarity효과가 높은 Ni을 함유하는 NiV/Cu UBM의 경우에는 양극의 UBM/솔더 계면에서 파괴가 나타났다. 따라서, 플립칩의 electromigration저항성을 높이기 위해서는 높은 융점의 솔더, 두꺼운 UBM, 계면 polarity효과가 적은 재료를 UBM으로 사용해야 한다.
