Board level reliabilities are important issues for the wafer level chip size package (WLCSP), because WLCSPs are directly assembled on the boards without any protective structure in general. Nowadays, satisfying the required reliabilities for the WLCSPs has become more difficult due to the reduced feature sizes of I/Os. Therefore, it is important to understanding the effects of WLCSP material design parameters for enhancing the reliability. Among many materials for WLCSP manufacturing, three important material design parameters of solder, under-bump metallurgy (UBM) and dielectric material which support the interconnections will be focused in this study.
First, the effect of solder composition on thermal and thermo-mechanical reliability was investigated. For analyzing the effect of solder composition, WLCSPs having four different solder balls of Sn3.0Ag0.5Cu, Sn1.0Ag0.5Cu, Sn0.7Cu and Sn1.2Ag0.5Cu0.05Ni were prepared. And These WLCSPs were mounted on ENIG and OSP finished substrates. For analyzing the interfacial reaction of the WLCSPs, assembled samples were thermally aged at 150 °C up to 1000 hours. On Cu-OSP pads, $Cu_6Sn_5$ IMCs were observed at both interfaces of solder/UBM and solder/Cu-OSP pad in all solder compositions. And after thermal aging, $Cu_3Sn$ IMC layer with Kirkendall voids were observed between the $Cu_6Sn_5$ IMC and Cu layer. The amount of these Kirkendall voids increased in low Ag contained solders. Especially, in Sn0.7Cu solder, crack caused by the thermal oxidation of Cu UBM layer was observed along the Kirkendall voids. Because smaller $Cu_6Sn_5$ IMC grains were formed on the UBM In lower Ag contained solders, thicker $Cu_3Sn$ IMC layers and larger amount of Kirkendall voids were formed in lower Ag solders. In Sn1.2Ag0.5Cu0.05Ni solder, the formation of $Cu_3Sn$ was suppressed due to Ni substitution in IMC. On ENIG pads, after thermal aging, at the solder/UBM interface, thick $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMCs grew up whereas the growth of $(Cu,Ni)_3Sn$ IMCs were limited due to Ni substitution. These different interfacial reactions affected the reliabilities of WLCSPs. In thermal cycling test, WLCSPs using Ag contained solder failed by solder fatigue cracks on Cu-OSP pads. However, in Sn0.7Cu solder, failures were occurred by the delamination at the solder/UBM interface. The thermal oxidation of Cu caused the failure during T/C test. On ENIG pads, all WLCSPs were failed by the solder fatigue. Because of the dissolved Ni in solder, Sn0.7Cu solder was not failed by the crack by thermal oxidation. And in the drop test performed with thermally aged WLCSPs, Sn0.7Cu solder showed worse drop reliability than other solder materials due to the crack on the solder/UBM interface formed during thermal aging.
Second, the effects of under bump metallurgy (UBM) on the board level reliabilities were investigated. For the analysis, WLCSP assemblies having various UBMs of electroplated Cu, electroplated Ni and electroplated Cu/Ni were prepared. For analyzing the thermal reliability, thermal aging was performed at 150 °C up to 1000 hours. After thermal aging, in WLCSPs on OSP pads, $Cu_6Sn_5$ IMCs were formed at the solder/Cu UBM and solder/Cu pad interfaces after reflow. And $Cu_3Sn$ IMCs grew up while $Cu_6Sn_5$ IMC layers became thicker during aging. However, in Ni and Cu/Ni UBM, $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMCs are formed on both interfaces. In WLCSPs on ENIG pads, the thicknesses of P-rich Ni layer were changed by the UBM composition. Solder joints on Cu UBM had thicker P-rich Ni layers than those on Ni and Cu/Ni UBMs because large $(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMCs were formed at the solder/ENIG interface during reflow process due to the dissolution of Cu from Cu UBMs. This difference of interfacial reaction between electroplated Cu and Ni UBM can change the mechanical reliability of WLCSP mounted on ENIG pad. As results of drop test, electroplated Cu UBM showed better drop reliability than Ni and Cu/Ni UBM. Observed available failure sites of WLCSP on ENIG pad are P-rich Ni layer, UBM and Cu line on substrate. Therefore, the thin P-rich Ni layer in Cu UBM could reduce the failure on P-rich Ni layer. In the WLCSPs assembled on Cu-OSP pads, Cu UBM showed worse drop test reliability due to the higher hardness than those of Ni and Cu/Ni UBM.
Third, the effects of dielectric materials on the board level reliabilities were investigated For understanding the thermal behavior of dielectric material, warpage behaviors of Si wafer with three different dielectric materials of BCB, epoxy and silicone based polymer were analyzed using modified Stoney’s equation. As a result, epoxy caused the highest thermal stress due to its high modulus and CTE (thermal expansion coefficient), whereas the thermal stress of silicone was relieved by inelastic thermal behavior. To investigate the effects of dielectric materials on thermo-mechanical reliability, thermal cycling test was performed with WLCSP assemblies having various dielectric materials of polyimide, epoxy and silicone. As results, WLCPSs with polyimide showed better reliability than others. WLCSPs with polyimide failed by were solder fatigue crack whereas the failure modes of others were the crack on Cu redistribution line. In FEM results, polyimide had the lowest equivalent plastic strain due to its CTE.
웨이퍼 레벨 패키지 (Wafer level chip size package, WLCSP) 는 웨이퍼 단위 공정을 통해 형성되는 형태의 패키지이다. WLCSP는 공정성이 뛰어나고 크기가 작은 등 많은 장점이 있기 때문에 다양한 전자 패키지 분야에서 사용되고 있으며, MEMS, LED 와 같이 떠오르는 전자부품의 패키지 용으로도 사용되고 있다. 이러한 WLCSP는 바로 기판 위에 실장하여 사용하며 다른 보호물 없이 사용하는 것이 일반적이기 때문에 신뢰성이 중요한 문제 중의 하나이다. 특히 WLCSP의 재배열을 위해 사용될 수 있는 I/O당 면적이 점차로 줄어듦으로 인해 신뢰성문제는 앞으로도 더욱 중요한 문제가 될 것이다. 따라서, WLCSP본 연구에서는 WLCSP의 재료 인자들이 WLCSP의 접합 후 신뢰성에 미치는 영향에 관해 연구하고자 하였으며, 이를 통하여 WLCSP의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방법을 재료의 특성을 알아보고자 하였다. 특히 접합후 신뢰성에 큰 영향을 줄 것이라고 예상되는 주요한 세가지 재료에 해당하는 솔더 조성, 하부금속층 (UBM) 및 유전재료의 특성이 신뢰성에 미치는 영향을 알아보았으며, 본 연구는 WLCSP의 주요 재료 설계 요소에 따라 다음과 같이 구성되어 있다.
1장에서는 WLCSP 및 WLCSP에 사용되는 주요 재료 및 공정에 대해 다루었으며, 실험의 목적 및 실험에 사용된 WLCSP 및 기판 등의 실험조건에 대하여 설명하였다.
2장에서는 솔더 조성이 열적 기계적 신뢰성에 미치는 영향에 관해 분석하였다. 특히 최근들어 고려되고 있는 low Ag 솔더가 신뢰성에 미치는 영향을 알아보고자 하였으며, 이를 위하여 Sn3.0Ag0.5Cu, Sn1.0Ag0.5Cu, Sn0.7Cu, Sn1.2Ag0.5Cu의 네 가지 조성의 솔더들을 준비하여, 이를 각각 OSP 및 ENIG 표면처리 된 기판 위에 실장하였다. 열적 신뢰성을 평가하기 위하여 접합된 솔더 조인트를 150도에서 열 시효처리 하였으며, 각 조건 별 계면반응을 분석하였다. 시효처리 후 Cu-Sn 계면 반응 시 Ag 함량이 줄어듦에 따라 Kirkendall void가 많이 형성되는 것을 확인하였으며, Sn0.7Cu의 경우 이로 인하여 UBM 계면을 따라 산화현상이 발생하였다. 이와 같은 현상은 Ag의 함량이 낮아질수록 형성되는 $Cu_6Sn_5$ 상의 크기가 커지기 때문이며, 이로 인하여 $Cu_6Sn_5$ 상이 $Cu_3Sn$으로 변하는 정도가 Ag 함량이 적을수록 심해지게 된다. 특히 Sn0.7Cu 솔더와 같은 경우 접합 직후부터 계면에 다량의 void들이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있으며, 이와 같은 void들로 인하여 열시효 처리시 UBM의 산화가 발생하게 된다. 솔더 내에 Ni이 포함시켜 계면 성장 메커니즘에 영향을 줌으로써 제어될 수 있다. 이와 같은 계면반응의 차이는 열-기계적 신뢰성에 영향을 주게 되며, Sn0.7Cu의 경우 열사이클 신뢰성 평가 및 낙하 충격 신뢰성 실험 후 UBM 산화로 인한 신뢰성의 급격한 저하가 나타남을 확인하였다.
3장에서는 하부금속층 (under bump metallurgy, UBM)의 조성이 열적 신뢰성 및 기계적 신뢰성에 미치는 영향을 분석하였다. WLCSP의 접합공정 중 UBM의 구성 물질은 UBM으로부터 솔더 내부로 용해되며, 이는 반대편 기판 표면의 계면반응에 영향을 주게 된다. ENIG 표면에 실장된 WLCSP의 경우 Cu UBM을 사용하였을 때, UBM으로부터 많은 양의 Cu가 용해되며 이로 인해 반대편 Ni 표면에 많은 양의 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 상을 형성하게 된다. 이와 같이 형성된 $(Cu,Ni)_6Sn_5$상으로 인하여 추가적인 Ni의 소모가 억제되며 이로 인해 P-rich Ni 층이 얇게 형성된다. 반면 Ni UBM의 경우는 Ni-Sn 계면반응이 활발히 일어나게 되어 P-rich Ni 층이 두꺼워진다. 이와 같은 결과로 인하여, ENIG 표면 처리된 기판으로 낙하충격 실험 (drop test)을 수행할 경우, Cu UBM을 사용한 WLCSP의 경우 대부분의 파괴가 솔더 내부의 피로파괴 형태로 나타나는 반면 Ni 및 Cu/Ni UBM을 사용한 경우는 P-rich 층의 파괴와 같은 형상으로 파괴가 발생하기 때문에 Cu UBM을 사용한 경우에 비해 신뢰성이 저하된다. OSP에 접합한 경우에 있어서는 반대로 Cu UBM을 사용한 경우 Ni 및 Cu/Ni UBM을 사용한 경우에 비해 높은 hardness 값을 보이며, 이로 인하여 Ni 및 Cu/Ni UBM이 더 좋은 낙하 충격 신뢰성을 나타내게 된다.
4장에서는WLCSP에 사용되는 유전재료 (dielectric material)의 특성이 열-기계적 신뢰성에 미치는 영향을 분석하였다. Warpage 측정을 통한 응력 분석을 통해서 WLCSP의 열 변화시 발생하는 열응력은 탄성적 거동을 가질 경우 modulus 및 열팽창계수에 비례할 것으로 예측되었다. 또한 silicone과 같은 재료의 경우 낮은 항복강도를 가지며 이로 비탄성 거동을 보이게 된다. Modulus 및 열팽창계수가 다른 유전 재료 세가지를 가지고 WLCSP를 준비하여 열 사이클 평가를 진행한 결과 재료에 따라 신뢰성 및 파괴모드가 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 낮은 modulus 및 열팽창계수를 가지는 경우 솔더의 피로파괴로 인한 불량이 발생한다. 그러나 높은 열팽창계수를 가지는 재료를 사용하게 될 경우 재배열 라인에서 파괴가 발생하게 되며, 이로 인해 짧은 수명을 나타낸다. FEM 분석 결과에 의하면, 재배열 라인은 열 사이클이 진행될수록 소성변형이 누적되게 되며, 유전재료의 열팽창계수가 커질수록 누적 소성 변형량 빠르게 증가하게 된다.
