Flip chip assembly on organic substrate technology has been developed and implemented as a key packaging technology for cost and performance advantages. When organic substrates are used for the recent high pin count flip chip assembly, substrate bending and warpage problems should be solved to guarantee good flip chip interconnection and high assembly yield. In this dissertation, solder flip chip bumping and subsequent coining processes on organic substrates were investigated to solve the warpage problem of organic substrates for high pin count flip chip assembly by providing good co-planarity. The changes of coining loads in coining processes of solder bumps on organic substrate were investigated by a specially designed coining machine. The reliability of assembled flip chip of 97Pb-3Sn on the chip and coined 37Pb-63Sn on the substrate side was studied to understand the functioning interconnections.
The stencil printed bumping process developments are described in Chapter 3. The solder pastes, stencil printing mask, printing method, reflow development steps are optimized for solder bumping on organic substrates. The interfacial reactions between stencil printed solder bumps and organic substrate finished materials have been studied. In chapter 4, the coining process of the stencil printed solder bump on organic substrates has been successfully performed by using a modified tension/compression tester as variables of height, coining rate, and temperature. For the effects of coining process parameters on coining loads, it was found that effects of process temperature and coining rate were significant. In the coining process, applied coining loads become smaller as coining rates decrease and process temperature increases.
The flip chip interconnections were successfully demonstrated by the coined 37Pb-3Sn solders on PCB substrate wrapping around 97Pb-3Sn solder bumps on chip at eutectic solder reflow temperature (220℃) in chapter 5. For the electroplated 97Pb-3Sn solder bumping on TiW/Cu UBM, the importance of control the UBM etching solution and reflow condition have been discussed. In the flip chip assembly process with two solder materials, the effect of flux on assembly shape was investigated. In chapter 6, the reliability of flip chip assembled samples was discussed. For structure of 97Pb-3Sn chip and 37Pb-63Sn PCB combination bumps interconnection, although there were some changes in intermetallic phases during reliability test, both electroless Ni/Au and OSP finished PCBs were stable under die shear, high temperature storage, 85℃/85% r.h., thermal cycling and pressure cooker test. The failure mechanism, found after die shear and pressure cooker test was not related to the intermetallic phase formed at solder/PCB interface. The difference of phase, structure, and growing of IMCs on electroless Ni/Au and OSP finished PCBs had no noticeable effects on the failure of 97Pb-3Sn chip and 37Pb-63Sn PCB combination bumps interconnection.
In electromigration test in chapter 7, it was observed that failure occurred at the cathode which is the top of the solder bump in downward electron flow, from chip to substrate. In this case, the Pb atomic flux driven by electromigration causes a change of solder bump composition, and the current crowding inside the Cu UBM leads to the formation of $Cu_6Sn_5$ IMC phase at the cathode. The growth of $Cu_6Sn_5$ IMCs has caused a fast consumption of Cu UBM and the accompanying void formation has induced the failure. It was confirmed by thermodynamic calculations that precipitation of the $Cu_6Sn_5$ phase at the $Cu_3Sn/solder$ interface was possible by the change in combination solder composition during electromigration. By the simulation of current distribution, the current crowding inside the Cu UBM was confirmed. A possible mechanism of electromigration-induced failure in a composite solder joint have been suggested by sequential observation during current stressing.
본 연구에서는 미세 피치를 가지는 고집적 플립칩 접속을 유기 기판에 적용하기 위한 목적으로 유기 기판 표면의 평평도 (co-planarity)를 향상시키기 위하여 유기 기판 위에 솔더 범프를 형성한 후 형성된 솔더 범프를 코이닝 (coining) 하여 솔더 범프의 표면 평탄도를 향상 시키는 방법을 제시하였다. 유기 기핀 위에 형성 시킨 솔더 범프를 균일하게 코이닝하는 장치를 새롭게 고안 및 제조하여 코이닝 공정 시 가해지는 힘의 변화를 코이닝 속도 및 온도를 변수로 하여 조사하였다. 또한, 전해 도금 방법을 이용해 97Pb-3Sn 조성의 솔더 범프를 형성 시킨 실리콘 칩과 스텐실 프린팅 법을 이용해 37Pb-63Sn 조성의 솔더 범프를 형성한 후 코인닝 한 유기 기판을 이용하여 실제 플립칩 접속을 수행한 후 신뢰성 평가를 수행하였다. 본 연구에서의 결과들을 정리하면 다음과 같다.
제 3장에서는 전해도금 된 (electro-formed) 스텐실 프린팅 마스크 및 미세 솔더 분말로 만들어진 솔더 페이스트를 이용해 스텐실 프린팅 방법으로 120㎛ pad opening 크기 및 230㎛ 피치를 가지는 유기 기판 위에 150㎛ 지름을 가지는 솔더 범프를 성공적으로 형성하였다. 이 때, 유기 기판의 OSP (Organic Solderability Preserve) 및 무전해 도금 된 Ni/Au metal finishes와 Sn-37Pb, Sn-3.5Ag, 그리고 Sn-3.8Ag-0.7Cu 솔더 범프 사이의 계면 반응에 의한 금속간 화합물의 형태와 접속강도를 조사하였다. PCB metal finish 종류 및 솔더 재료의 조성에 따라 계면에 형성되는 금속간 화합물의 형상 및 종류가 달라져 솔더 범프의 접속 강도 값이 변화하는 것을 확인하였다.
제 4장에서는 특별하게 고안된 코이닝 장비를 이용하여 코이닝 높이, 속도 및 온도를 변수로 하여 유기 기판 위에 스텐실 프린트 방법으로 형성시킨 솔더 범프를 코이닝 하는 공정을 성공적으로 수행하였다. 코이닝 높이에 따른 코이닝 힘의 변화는 세 가지 단계로 나타나는데, 탄성 구간, 가공 경화를 가지는 소성 구간, 그리고, 원통형 변형 구간으로 나눌 수 있었다. FEM (Fine Element Mesh)을 통한 수치해석 결과 코이닝 시 솔더 범프가 원통형 변형을 하기 시작하는 구간에서부터 코이닝 시 필요한 하중의 증가가 급격하게 증가하는 것을 알 수 있었다. 한편, 코이닝 시 가해지는 힘에 영향을 주는 코이닝 변수에 대한 실험에서는 코이닝 속도가 감소 할 수록 또한 코이닝 온도가 증가 할 수록 코이닝 시 필요한 힘의 크기가 감소함을 알 수 있었다. 또한, 이 두 가지 공정 변수 중 코이닝 온도의 변화가 코이닝 속도 변화보다 코이닝 시 가해지는 하중 감소에 보다 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 코이닝 시 공정 변수가 코이닝 시 가해지는 하중 변화에 미치는 영향은 FEM을 통한 수치 해석 결과에서도 동일한 경향을 보이는 것을 확인하였다. 따라서, 코이닝 공정에서 가해지는 하중을 감소시키기 위해서는 코이닝 높이를 원통형 변형 구간이 시작되기 전까지 하는 것이 좋으며, 코이닝 공정 온도를 조절하는 것이 매우 중요한 인자라고 할 수 있다.
제 5장에서는 전해 도금법을 이용하여 97Pb-3Sn 조성의 솔더 범프를 형성 시킨 실리콘 칩과 37Pb-63Sn 조성의 코인된 솔더 범프를 형성 시킨 유기 기판을 이용하여 플립칩 접속을 성공적으로 수행하였다. 칩 제작에 있어서는, TiW/Cu Under Bump metallurgy (UBM) 위에 전해 도금법을 이용하여 97Pb-3Sn 조성의 솔더 범프를 형성하는 공정에 대해 연구되었는데, 특히 UBM 습식 식각 공정과 reflow 공정에서의 최적 조건에 대해서 논의 되었다. 플립칩 접속에 있어서는 기판 쪽의 37Pb-63Sn 조성의 솔더가 칩 쪽의 97Pb-3Sn 조성의 솔더를 감싸는 접속 형태를 효과적으로 제조하기 위한 방안에 대해 고찰하였다.
제 6장에서는 플립칩 접속된 샘플에 대해 신뢰성 평가를 수행하였다. 97Pb-3Sn 솔더와 37Pb-63Sn 조성 솔더의 혼합으로 이루어진 접속에 대해 다이 전단 시험, 열사이클 시험, 고온 시험, 고온 고습 시험, 고압 고온 고습 시험을 수행한 결과 OSP 및 Ni/Au finished 기판에서 모두 우수한 신뢰성을 나타내었다. 신뢰성 테스트 후 파괴 기구들은 솔더/칩 또는 솔더/기판 사이에서 생성되고 성장한 금속간 화합물의 종류와는 크게 관계 없었다.
제 7장에서는 플립칩 접속된 샘플에 대해 electromigration으로 인한 파괴 기구를 살펴보았다. Electromigration 시험 후 파괴는 아래 방향으로 전류가 흐르는 범프의 위쪽에서 관찰되었다. 이 경우에 electromigration에 의한 솔더 범프 내 Pb 원자의 이동이 솔더 범프의 조성을 변화시키고, 또한, 구리 UBM 내의 전류 모임에 의해 $Cu_6Sn_5$ IMC가 새롭게 형성되었다. $Cu_6Sn_5$ IMC의 성장은 구리 UBM의 빠른 소모를 발생시켜 이에 따라 공공이 형성되어 파괴가 발생하게 된다. 열역학적 계산을 통해 electromigration 시험 동안 $Cu_3Sn/솔더$ 계면에서 $Cu_6Sn_5$ 상의 생성이 가능한 것을 확인하였고, electromigration 중의 전류 분포에 대한 수치해석을 수행하여 구리 UBM 내에 전류 모임에 대해서도 확인하였다. 이와 같은 결과와 electromigration 시험 동안 솔더 접속 부분에 대해 연속적인 관찰 내용을 종합하여 복합 솔더로 이루어진 접속에서의 electromigration에 의한 파괴 기구를 제안하였다.
