The need for fine pitch first level interconnections is rapidly increasing. A flip chip interconnection using conventional solder bumps are widely used in electronic packaging area. However, a solder bump flip chip below 150 μm bump pitch cannot be adopted in the near future due to a bump bridging problem between adjacent bumps. The Cu column/SnAg solder (Cu/SnAg) double-bump structure is a promising candidate for fine pitch flip chip interconnections. The Cu/SnAg double-bump structure provides three main advantages in flip chip interconnections. First, fine pitch flip chip interconnections below 150 μm bump pitch can be achieved due to the straight shape of Cu column bumps and the limited volume of SnAg solder to avoid the bump bridging problem. Secondly, better electromigration reliability can also be expected due to the reduced current crowding effect by Cu column bumps with high melting temperature and excellent electrical conductivity. Finally, thermal cycling reliability can be enhanced by the high stand-off height which can reduce the shear stress during thermal cycling.
This thesis is composed of the following three main parts, each of which corresponds to a distinct advantage of Cu/SnAg double-bump structure: 1) fine pitch flip chip interconnections using Cu/SnAg double-bump structure (Chapters 3 ~ 5), 2) flip chip electromigration (Chapter 6), and 3) thermal cycling reliability enhancement (Chapters 5 and 6). The first part is divided into three parts again: flip chip assembly process development (Chapter 3), thermal reliability and interfacial reactions of Cu/SnAg double-bump flip chip joints (Chapter 4), and quality and long-term reliability evaluation, especially focused on thermal cycling reliability (Chapter 5).
The flip chip assembly process developments are described in Chapter 3. A test chip and an organic substrate were designed for 100 μm pitch flip chip interconnections. Cu column/Sn2.5Ag solder double-bumps with 60 μm and 20 μm bump heights, respectively, were fabricated on Al I/O pads by electroplating and thick photo resist lithography processes. A test chip was flip chip assembled on an organic PCB substrate using the thermo-gradient bonding method. Due to tight flip chip designs and the mismatch of coefficient of thermal expansion between a silicon chip and an organic substrate, the conventional isothermal bonding process using the solder reflow was not suitable for a Cu/SnAg double-bump flip chip. The assembled flip chip showed stable bump contact resistance and had no bridged bumps at 100 μm pitch.
In Chapter 4, in order to evaluate the thermal stability at Cu/SnAg double-bump flip chip joints, interfacial reactions of Cu/SnAg double-bump joints and Cu/SnAg flip chip joints on electroless Ni-P/Au pad were investigated after multiple solder reflows and solid-state isothermal aging. In the Cu/SnAg flip chip joints, several intermetallic compounds (IMCs) such as $Cu_6Sn_5$, $Ni_3Sn_4$, $Ag_3Sn$, $(Cu, Ni)_6Sn_5$, Cu-Ni-Sn-Au quaternary IMCs, were formed after multiple solder reflow. In the case of isothermal aging, $Cu_3Sn$ IMCs as well as $Cu_6Sn_5$ IMCs were detected at the Cu column/SnAg solder interface and Kirkendall voids were observed in the $Cu_3Sn$ IMC layer. In spite of excessive IMC formation and solder consumption, there were no bump contact resistance changes after multiple solder reflows and 125℃ aging. However, the bump contact resistance slightly increased at 150℃ aging due to Kirkendall void linking formed along the Cu column/ $Cu_3Sn$ IMC interface. Furthermore, the cross interaction effect in the short distance between chip Cu column bumps and PCB Ni pads was discussed before and after flip chip assembly. Activation energies for Cu-Sn intermetallic compound growth were obtained as 36.5~37.3 kJ/mol for $Cu_6Sn_5$ IMC growth and 31.0~44.5 kJ/mol for $Cu_3Sn$ IMC growth. The activation energies for Cu-Sn IMC growth in Cu/SnAg double-bump flip chip assemblies were much lower than those of conventional solder bump flip chip assemblies due to the cross interaction effect.
In Chapter 5, the quality and long-term reliability of Cu/SnAg double-bump flip chip assemblies were investigated with a die shear test, 85℃/85%RH test, pressure cooker test, high temperature storage test, and thermal cycling test. Especially in-depth studies on thermal cycling reliability were performed through the correlation of thermal cycling reliability test and a finite element analysis. During the thermal cycling test, the bump contact resistance increased since after about 400 cycles and Cu/SnAg double-bump flip chip joints had higher failure rate as the distance of the neutral point (DNP) of a chip increased. T/C failures occurred at the Si chip/Cu column interface, which was found to be the highest stress concentration site, due to Al pad depletion. Al pads did not withstand the large compressive normal plastic strain of the z-direction perpendicular to a Si chip, and thus the displacement of Al pads towards outward direction of Cu column bumps resulted in T/C failures due to shear strain accumulated on Cu column bumps during thermal cycling.
The electromigration behavior of Cu/SnAg flip chip joints were described in Chapter 6. Resistance change and joint morphology observation were investigated under current stressing at flip chip joints, and its electromigration reliability was compared with a conventional solder flip chip. By the electromigration, SnAg solder was fully consumed and then changed to Cu-Sn intermetallics, but there was no resistance change during the test. Cu/SnAg flip chip joints showed a longer electromigration lifetime that indicated better electromigration reliability than the conventional solder flip chip. It was due to the reduced current density effect in the solder region. In the Cu/SnAg double-bump flip chip joints, the maximum local current density in the solder region was found out to be $~ 5 \times 10^4 A/cm^2$, which is two orders smaller than that at the Cu column corner and one order smaller than $~ 10^5$ order $A/cm^2$, which is known as the typical electromigration failure criterion of the conventional solder flip chip joints.
In Chapter 7, the effect of the Cu column bump height as the flip chip stand-off height was investigated for 60 μm and 85 μm-thick Cu flip chip samples in terms of thermal cycling reliability and thermo-mechanical deformation of Cu/SnAg double-bump flip chip assemblies. In the T/C test, the failure rate of 60 μm-thick Cu flip chip samples was about 45% higher at the edge bumps than that of 60 um-thick Cu flip chip samples for a failure criterion of 20mΩ. The enhancement of T/C reliability in thicker Cu samples was due to significantly reduced compressive normal strain of the z-direction. The reduction of compressive normal strain of the z-direction was caused by a smaller rotation angle of the rigid Cu column bump when flip chip assemblies were shrunk during cooling.
In this thesis, Cu/SnAg double-bump flip chip assemblies were developed by optimizing flip chip assembly processes for 100 um fine pitch organic board applications and their themal, electrical, thermo-mechanical, moisture-related, and mechanical reliabilities were also investigated. Conclusively, three expected noticeable advantages of Cu/SnAg double-bump structures proposed for fine pitch flip chip applications were proven. First, Cu/SnAg double-bump structure can be achieved for flip chip on organic board applications of 100 μm pitch. Secondly, Cu/SnAg double-bump structure better enhances electromigration reliability under high current stressing by reducing current crowding in the solder region than conventional solder flip chip assemblies. Finally, thermal cycling reliability can be enhanced by increasing the Cu column since Cu/SnAg double-bump flip chip assemblies with thicker Cu column height reduce the compressive normal plastic strain in the z-direction on Cu column bumps when they are shrunk during cooling.
플립칩 (Flip Chip) 기술은 금속 단자 (I/O)가 형성된 실리콘 칩과 기판 간의 1차 접속 방법으로서 최근 크게 대두되고 있는 패키징 기술 중의 하나이다. 이러한 플립칩 구조는 칩을 뒤집어 기판에 바로 접속하기 때문에 칩과 기판 간의 접속 길이가 짧아 전기적인 특성이 우수하고 금속 단자 (I/O)를 칩의 전면에 형성할 수 있어 많은 수의 전극을 한 칩 내에 구현할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 플립칩 구조로서는 크게 낮은 융점을 갖는 납/주석 솔더 혹은 주석을 기본으로 하는 무연 솔더를 녹여서 기판에 접속하는 솔더 범프 플립칩과, 스터드 범프 혹은 전해 금 범프 등의 비솔더 범프와 고분자로 된 이방성 전도성 접착제 등을 사용하는 비솔더 범프 플립칩이 있다. 솔더 범프를 사용한 플립칩 접속 방법은 솔더를 녹여서 접속하기 때문에, 범프 (혹은 금속 전극)의 수에 비례하여 높은 압력을 가해 접속해야 하는 이방성 전도성 접착제를 사용하는 비솔더 범프 플립칩에 비해 수백-수천 개 이상의 금속 단자 (I/O)를 갖는 칩에도 적용이 가능하며, 기본적으로 금속간 접속이 이루어지므로 높은 전류를 필요로 하는 패키지에도 적용이 용이한 장점을 가지고 있다. 또한 이러한 솔더 범프 필립칩을 접속하는 기판 재료로서 유기 인쇄 회로 기판 (Organic printed circuit board)이 주로 사용되는데, 이러한 유기 기판의 경우 종래의 세라믹 기판에 비해 가격이 저렴하고 가공이 용이하며, 구리 배선과 함께 사용하기 용이하여 낮은 비저항을 갖고 또한 에폭시 레진을 기본으로 하기 때문에 낮은 유전 상수를 갖는 여러 가지 장점을 가지고 있다.
그러나 이러한 솔더 범프 플립칩 또한 점차적으로 전자 패키지의 경박단소화, 소형화 추세에 따라 범프간 거리, 즉 피치(pitch)가 작아짐에 따라 한계를 보여주고 있다. 솔더 범프의 경우 리플로우 후에 솔더가 녹으면서 구형의 형태로 존재하기 때문데, 금속 전극 (I/O)의 크기보다 더 큰 직경을 갖게 된다. 따라서 범프 피치가 작아질수록 인저반 솔더 범프가 녹으면서 서로 연결되는 현상 (bump bridging)이 발생될 수 있다. 약 150μm 이하의 미세 피치에서 이러한 현상이 빈번하게 발생된다. 따라서 실리콘 칩의 금속 단자 (I/O) 위에 금속 칼럼과 솔더를 연속적으로 적층하여 형성한 금속 칼럼/솔더의 더블 범프 구조가 미세 피치 플립칩 접속을 위한 기존 솔더 범프 플립칩에 대안 중의 하나로 고려될 수 있다. 이러한 더블 범프를 사용한 플립칩 구조는 크게 3가지 장점을 기대할 수 있다. 첫째, 칼럼 (Column)형태의 금속 범프를 사용함으로써 인접한 범프가 서로 연결되는 것을 막을 수 있어 150 μm 이하의 미세 피치 플립칩 접속이 가능하다. 둘째, 솔더에 비해 녹는점이 높고, 전기 전도도 및 열 전도도가 우수한 금속 칼럼을 칩의 금속 단자 (I/O) 위에 형성하게 되므로, 전류가 가해질 때, 솔더 범프에 인가되는 전류 밀도를 낮춰 Electromigration 신뢰성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 셋째, 금속 칼럼의 높이를 용이하게 조절할 수 있으므로, 칩과 기판 간의 높이를 향상시켜 우수한 열주기 신뢰성 (Thermal cycling reliability)를 기대할 수 있다.
따라서 본 논문에서는 더블 범프의 금속 칼럼 및 솔더 범프 재료로서 각각 구리 (Cu), 주석/은 (Sn2.5Ag) 솔더를 사용하여, 100 μm 피치를 갖는 유기 PCB 기판 위 Cu/SnAg 더블 범프를 사용한 플립칩의 접속 및 접속 후 플립칩의 열적, 전기적, 기계적, 열기계적 (열주기), 흡습 신뢰성을 평가하고, 플립칩의 신뢰성 저하 요인에 대해 연구하고자 하였다.
1장에서는 본 연구의 필요성에 대해 간략히 다루었으며, 2장에서는 본 연구를 수행하는 데 있어서 필요한 배경에 대한 문헌조사를 수행하였다.
3장에서는 100 μm 피치 플립칩 접속을 위해 60 μm 높이의 Cu 칼럼과 20 μm 높이의 SnAg 솔더를 칩의 I/O 위에 연속적으로 적층하여 형성한 후, 이를 유기 PCB 기판 위에 플립칩 접속하는 방법 및 공정 최적화에 대해 연구하였다. 이 때, 종래의 솔더 범프 플립칩에서 사용되고 있는 칩과 기판의 정렬 후 솔더 리플로우를 통해 접속하는 이른바 등온 접속(Isotheramal bonding) 방법을 적용할 경우, 칩의 중앙에서는 전기적인 접속이 잘 이루어진 반면, 칩의 가장자리에서는 칩과 기판의 큰 열팽창계수 차이로 인해 접속이 제대로 이루어지지 않았다. 이와는 달리 온도 구배 접속(thermal gradient bonding) 방법에 의해 칩을 280도, PCB 기판을 120도로 가열하여 PCB 기판의 열팽창을 최소화한 결과, 칩과 기판의 정렬이 잘 이루어짐을 확인하였으며, 이 때 접속 압력과 플럭스 등의 영향을 고려하여 접속 공정 변수를 최적화하였다. 그 결과 20N 압력에서 수용성 플럭스를 사용한 결과 12 ~14mΩ의 안정된 범프 접속 저항을 보여주었으며, 이 때 인접한 범프간의 연결 (bump bridging) 현상 및 언더필의 기공 (void) 없이 100μm 피치를 갖는 유기 PCB 기판 위 플립칩 접속을 성공적으로 구현하였다.
4장에서는 접속된 Cu/SnAg 더블 범프 플립칩 조인트의 열적 신뢰성 평가 및 계면 현상에 대해 연구하였다. 250도와 280도에서 최대 5회까지 리플로우를 한 결과, Cu 칼럼 위에서는 Cu-Sn 금속간 화합물이 PCB 기판의 Ni 패드 위에서는 Ni-Sn 및 Cu-Ni-Sn 금속간 화합물이 생성됨을 알 수 있었다. 이 때 범프 접속 저항은 리플로우 온도와 횟수에 관계없이 열적 신뢰성에는 큰 문제를 보이지 않았다. 125도 시효 처리의 경우에는 2000시간 시효 처리 후에도 접속 저항의 증가가 나타나지 않았던 반면, 150도 시효 처리의 경우, 점차 접속 저항의 증가가 나타났으며, 이는 $Cu_3Sn$ 내에 생성된 Kirkendall void의 크기가 125도의 경우에 비해 두드러지게 생성되었으며, 이들이 게면을 따라 서로 연결되면서 전기적 특성을 저하시키는 것으로 나타났다. 한편, 시효 처리 시 Cu-Sn 금속간 화합물의 생성 및 서장에 대한 활성화 에너지가 31.0~44.5kJ/mol로 나타났으며, 이는 종래의 솔더 조인트의 활성화 에너지의 1/2 정도 되는 값에 해당된다. 이는 SnAg 솔더의 양이 매우 작아 리플로우 시 솔더 내에 용융된 Cu 원자가 Cu 칼럼 위에서의 Cu-Sn 금속간 화합물의 성장뿐만이 아니라, PCB 패드의 Cu-Ni-Sn 금속간 화합물의 성장에도 크게 관여하기 때문으로 밝혀졌다.
5장에서는 접속된 Cu/SnAg 더블 범프 플립칩의 기계적, 열기계적(열주기), 흡습 신뢰성에 대해 평가하였으며, 특히 플립칩 구조에서 가장 중요한 신뢰성인 열주기 (T/C) 신뢰성에 대한 평가 및 파괴 분석을 실험적인 방법과 유한 요소 해석을 통해 연구하였다. 이 결과, 칩의 가장자리에서 T/C 신뢰성 동안에 접속 저항의 증가가 나타났으며, 이 때 Cu 칼럼과 Si 칩의 계면에서 Al I/O 패드가 범프 바깥쪽으로 밀려나간 것이 확인되었다. 유한 요소 해석을 통해 이러한 파괴 모드는 Cu 칼럼과 Si 칩의 계면에서 가장 큰 유효 응력 및 변형이 인가되며, 특히 소성 변형량 (plastic strain)의 증가가 T/C 신뢰성 동안의 불량을 일으키는 주 원인으로 드러났다. 특히 T/C 동안에 플립칩이 팽창과 수축을 반복하면서 특히 수축 시에 발생되는 Cu 칼럼에 인가되는 z축 방향(Si 칩에 수직인 방향)의 압축 변형이 점차적으로 증가함에 따라 Cu 칼럼과 Si 칩의 사이에 있는 Al패드가 이를 견디지 못하게 되고, 이 때 칩의 외곽에 작용하는 전단 변형에 의해 Al 패드가 범프 바깥쪽으로 밀려 나가기 때문에 발생하였다.
6장에서는 접속된 Cu/SnAg 더블 범프 플립칩 조인트의 전기적인 신뢰성에 해당되는, 전류가 가했을 때의 조인트의 접속 저항의 변화를 살펴보는 electro-migration 현상에 대해 연구하였다. 그 결과, 약 600시간 이후에서 electro-migration에 의한 불량이 발생되지 않았으며, 미세 피치에서의 국부적인 전류 밀도 값을 계산해보면, Al 배선과 Cu 칼럼 계면에서의 전류 밀도는 약 $2 \times 10^6 A/cm^2$ 로 매우 높게 나타났으나, 실제로 electromigration에 민감한 솔더 영역에서의 전류 밀도는 약 $5 \times 10^4 A/cm^2$ 로 종래에 보고되었던 솔더 플립칩의 electromigration 불량의 임계값인 약 $3~6 \times 10^5 A/cm^2$ 에 비해 훨씬 더 낮아지는 것을 알 수 있었다. 따라서 이 시간 동안에 솔더의 용융이나 하부 금속층의 빠른 소모가 일어나지 않고, 플립칩 조인트의 SnAg 솔더가 Cu 칼럼과 반응해 모두 Cu-Sn 금속간 화합물로 바뀌기 때문에 종래의 솔더 플립칩에 비해 우수한 electromigration 신뢰성을 갖는 것을 확인하였다.
7장에서는 Cu 칼럼의 높이가 플립칩의 열주기 신뢰성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. 그 결과 Cu 칼럼의 높이가 높을 수록 T/C 신뢰성 시험 후 불량의 발생 비율이 훨씬 낮아졌는데, 이는 moire 분석을 통해 Cu 칼럼의 높이가 높아질수록 T/C 환경에서의 불량의 주원인인, 플립치?? z축 방향으로 작용하는 압축 변형량이 칩의 외곽 쪽에서도 현저히 줄어들기 때문이며, 이것은 플립칩의 열주기 시험 동안에 수축을 하면서 휨의 차이를 유발하여 결과적으로 Cu 칼럼에 작용하는 압축 변형량을 줄여주기 때문으로 규명되었다.
