The increasing demand for high performance integrated circuit devices has been leading the development of 3-D chip stacking technology. The wire-bonding based 3-D(WB-3D) chip stacking is performed by stacking dies using thermally curable polymer adhesive and electrical interconnection by wire bonding. The adhesives used in the WB-3D chip stacking are applied in two forms; pastes and films. Due to the benefits of thickness uniformity or easy processing, film type adhesives are widely used in market. There are three types of DAFs for the WB-3D chip stacking; a spacer, a die to die / die to substrate, and a film over wire types.
DAFs are inevitably exposed to high temperature during the wire bonding process for electrical interconnection and the curing process of epoxy molding compounds. Furthermore, the moisture penetrating through packages is able to be absorbed in the DAF. Absorbed moisture in DAFs causes voids or delamination resulting in electrical failure by the degradation of adhesion strength. Therefore, to have better reliability of stacked dies assemblies using DAFs, DAF materials should have not only stable adhesion strength between upper and lower dies even at the high temperature but also lower moisture absorption to prevent voids or delamination. Therefore, adhesion strength at high temperatures and moisture absorption of DAFs should be investigated.
It is reported that the thermo-mechanical properties of an adhesive such as modulus and $T_g$ are closely related to its adhesion strength at high temperature. Therefore, it is possible to improve the adhesion strength by adjusting the modulus and $T_g$ of DAFs.
In this study, the thermo-mechanical properties of cured DAFs for die to die bonding have been investigated by modifying materials formulation such as multi-functional epoxy, acrylonitrile butadiene rubber (NBR), and silica filler. As the content of multi-functional epoxy in DAFs increased, modulus increased and $T_g$ moved to higher temperature and CTE decreased. To investigate the effects of the NBR on the thermo-mechanical properties and the moisture absorption of cured DAF, various contents (20 wt%, 25 wt%, 30 wt%) of the rubber were also added to DAF resin. As the contents of the rubber increased, the modulus of cured DAFs decreased and the moisture absorption of the DAF decreased as the content of the NBR increased. In addition, as the content of silica filler increased, the modulus of cured DAF increased.
To investigate the thermal effect and moisture absorption effect on the stacked dies assemblies using DAFs, die shear test was conducted at high temperature (150℃) and after moisture absorption by high temperature and high humidity test (85℃/ 85 RH). After die shear tests, failure analysis using scanning electron microscopy (SEM) was also performed.
As a summary, the effects of the multi-functional epoxy, the rubber, and the silica filler on the material properties of DAFs have been investigated. The rubber reduced the moisture absorption of DAFs. The effects of these material properties of DAF on the adhesion reliability of stacked dies assemblies using DAFs were also investigated. Consequently, these relationships between DAF material properties and the adhesion strength of stacked dies assemblies using DAFs will provide the optimized DAF materials formulation for highly reliable stacked dies assemblies.
전자기기 내의 실장 면적을 확보하고 이를 통해 패키징 덴시티를 높이기 위해 삼차원 적층 기술이 발달하였고, 이 중 다이와 다이를 적층하는 기술 중에서 die attach films(DAFs)과 wire를 사용하는 방법이 저렴한 비용과 공정의 편리함으로 인하여 산업에서 범용적으로 쓰이고 있다. 이러한 DAFs에서는 고온에서 안정적인 열기계적 물성과 접합력, 그리고 낮은 수분 흡습력 등이 중요하게 요구되는 특성이다. 따라서, DAFs의 조성이 DAFs의 물성에 미치는 영향을 연구하여야 할 필요가 있으며, 이에 대한 조성으로서 다관능기 에폭시와 러버, 그리고 실리카 필러의 세 가지 조성을 선정하여 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 DAFs의 조성으로서 다관능기 에폭시와 러버, 그리고 실리카 필러가 DAFs의 경화거동과 열기계적 물성, 그리고 다이쉬어스트렝스 등에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. 다관능기 에폭시는 그 양이 증가할수록 DAFs의 고온에서의 모듈러스와 유리전이온도를 상승시키고 고온에서 열팽창계수를 낮추었다. 또한, 고온에서의 다이쉬어스트렝스를 증가시켰다. 러버는 그 양이 증가할수록 DAFs의 모듈러스와 유리전이온도를 낮추었고, 열팽창계수를 증가시켰다. 또한, DAFs의 흡습량이 러버의 함량이 증가함에 따라 감소하였고, 흡습 뒤의 다이쉬어스트렝스에는 러버의 흡습을 감소시킨 긍정적 효과와 물성을 떨어뜨린 부정적 효과가 복합적으로 작용하는 것으로 나타났다. 실리카 필러는 DAFs의 모듈러스를 증가시킴으로써, 러버에 의한 물성의 저하를 보완해주며, 다이쉬어스트렝스의 증가를 가져왔다.
결론적으로, 다관능기 에폭시는 DAFs의 고온 성능을 향상시킨다. 러버는 흡습을 감소시키는 반면, 물성의 저하를 가져온다. 실리카 필러는 모듈러스를 증가시키며 다이쉬어스트렝스를 증가시킨다. 이러한 특성의 평가를 통한 결과와 기성제품 중 한 종의 DAFs의 물성과 비교하여 볼 때, 모듈러스, 유리전이온도, 열팽창계수, 흡습량, 다이쉬어스트렝스 등의 모든 면에서 다관능기 에폭시, 러버 10 wt%, 실리카 필러 20 wt%의 조성을 가진 DAFs가 향상된 결과를 보인다. 따라서, 위와 같은 조성을 다이 접합용 DAFs의 최적화된 조성으로 제안한다.
