As demands for smaller and faster electronic products increased rapidly, 3D-packaging became inevitable in electro-packaging industry. Among various 3D packaging methods, 3D chip-stacking using through silicon via (TSV) technology becomes one of the best candidates to further reduce the size and improve electrical performance. Due to tremendous effort of many research organizations and industries, state-of-art TSV forming and copper via filling can be successfully developed. As TSV vertical interconnection methods, Cu pillar/Sn-Ag bump structure which is known as micro-bump is being widely applied for 3D TSV chip stacking. However, micro-bump to pad bonding process which consists of conventional flux, reflow, and underfill process induces problems such as voids trapping and flux residues between bumps. In order to avoid reliability issues of the interconnection, a new bonding process using NCF (Non-conductive film) has been introduced. NCF is pre-applied type of underfill and provides process reduction by performing fluxing/bonding/underfill process at once and it also provides higher reliability due to void-less underfill and absence of flux residue. Additionally, NCF which is form of B-stage film can be applied as wafer-level. By applying NCF as wafer-level, individual fluxing/underfill process for single chip can be performed in wafer-level and overall steps and costs for the stacking process can be reduced. Due to numerous advantages, fine-pitch micro-bump interconnection using NCFs are being applied in large TSV manufacturer such Hynix and Samsung electronics.
In the introduction, current industrial packaging trends would be introduced. 3D-integration and through silicon via (TSV) technology would be explained with transition of interconnection method from solder ball to Cu-pillar/Sn-Ag bump. The driving force for the NCF bonding process in the industry would be also explained in terms of cost and process. Additionally, fabricated NCF in KAIST would be introduced along with the evaluation in each lamination, dicing, and bonding process. During the lamination/dicing process, no voids or delamination should appear on NCF/wafer interface and clear dicing edge needs to be achieved by dicing the NCF without dragging. In order to fulfill two major requirements for the process, NCF resins with different ratios of multi-functional resin/phenoxy/Bisphenol-F epoxy were fabricated and evaluated. In the bonding process, effects of curing agent type on bonding properties of NCF were investigated. Three kinds of curing agents were used in the experiments: imidazole, dicyandiamine (DICY), and anhydride. However, only anhydride-NCF formed metallurgical joint between solder/pad due to oxide-removal by carboxyl acids formed during the epoxy-anhydride curing reaction. With optimized NCF composition wafer-level process was performed using 8-inch micro-bumped wafer and evaluation of individual process was performed to be successful. Additionally, reliability evaluation of wafer-level processed chip-on-module was performed and showed no remarkable increase in electrical resistance up to 1000 hrs of high temperature storage test (HTST) and 1000 cycles of thermal cycle (T/C) test.
In chapter 2, effects of thermo-compression bonding parameter on Cu-pillar/Sn-Ag interconnection reliability of NCF-assembled Chip-on-board (COB) package were investigated. Parallel-plate modeling of gap size during the thermo-compression bonding process was performed. By using the viscosity/time graph and the modeling, prediction of gap size was performed in both bare chip to chip and real chip to board. The actually NCF bonding of COB module was performed with different heating rate of 5ºC/min, 10ºC/min, and 20ºC/min. The gap height decreased as the heating rate increased and the results well corresponded with the modeling. All the bonded samples showed stable daisy and contact resistance at as bonded state, however 5ºC/min sample showed severe T/C failures due to high gap height and unstable wetting of solder on pad.
In chapter 3, effects of filler size and contents on Cu-pillar/Sn-Ag interconnection reliability of NCF-assembled Chip-on-board (COB) package were investigated. In order to investigate the effect of filler size, three different spherical silica fillers different size were used: Filler-A (0.07 um), Filler B (0.5~1.2 um), and Filler C (2~3um). For the effects of filler contents, Filler-A with contents of 5, 10, and 20wt% were added to NCF. As filler size decreased and contents increased, higher resin viscosity during the curing process was achieved. Similarly as filler size decreased and contents increased, higher modulus and lower coefficient of thermal expansion (CTE) were achieved. Thermo-mechanical properties of NCF had relatively small effects on the PCB warpage and max in-plane stress difference within solder joint. However, different joint shape induced by the different curing properties caused huge difference in stress distribution within solder joint, and caused thermal cycle failure before 1000 cycles.
In chapter 4, effects of Zn nano-particles in NCF on interfacial reliability of Cu-pillar-Sn-Ag interconnection were investigated. Non-conductive film with Zn nano-particles (Zn-NCF) is an effective solution for fine-pitch Cu-pillar/Sn-Ag bump interconnection in terms of manufacturing process and interfacial reliability. In this study, NCFs with Zn nano-particles of different acidity, viscosity, and curing speed were formulated and diffused Zn contents in the Cu pillar/Sn-Ag bumps were measured after 3D TSV chip-stack bonding. Amount of Zn diffusion into the Cu pillar/Sn-Ag bumps increased as the acidity of resin increased, as the viscosity of resin decreased, as the curing speed of resin decreased, and as the bonding temperature increased. Diffusion of Zn nano-particles into the Cu pillar/Sn-Ag bumps are maximized when the resin viscosity became lowered and the solder oxide layer was removed. To analyze the effects of Zn-NCF on IMC reduction, IMC height depending on aging time was measured and corresponding activation energies for IMC growth were calculated. For the evaluation of joint reliabilities, test vehicles were bonded using NCFs with 0 wt%, 1 wt%, 5 wt%, and 10 wt% of Zn nano-particles and aged at 150°C up to 500 hours. NCF with 10wt% Zn nano-particle showed remarkable suppression in Cu6Sn5 and (Cu,Ni)6Sn5 IMC compared to NCFs with 0 wt%, 1 wt%, and 5 wt% of Zn nano-particles. However, in terms of Cu3Sn IMC suppression, which is the most critical goal of this experiment NCFs with 1 wt%, 5wt%, and 10wt% showed an equal amount of IMC suppression. As a result, it was successfully demonstrated that the suppression of Cu-Sn IMCs was achieved by the addition of Zn nano-particles in the NCFs resulting an enhanced reliability performance in the Cu/Sn-Ag bumps bonding in 3D TSV interconnection.
보다 작고 고성능의 전자기계에 대한 필요성이 점차 대두되면서, 전자 패키징에서 3D 패키징 및 적층에 대한 필요성은 증가하게 되었다. 여러 3D 적층 및 패키징 기술 중에 실리콘 칩을 관통하는 via (TSV)를 통해 칩들을 3차원으로 적층하는 방법이 가장 높은 공간 효율성과 전기적 성능으로 인하여 각광받고 있다. 이러한 TSV 칩의 적층 방법으로 Cu pillar/Sn-Ag 범프 (마이크로 범프)가 높은 접합 신뢰성, 워피지에 대한 대응성, 및 낮은 본딩 온도로 인하여 칩간 접합 방법으로 산업체에서 통용적으로 쓰이고 있다. 그러나 이러한 미세피치 마이크로 범프를 사용한 접합 방식은 기존의 플럭스/리플로우/언더필을 통한 과정을 통하여 본딩 시 언더필 보이드 및 플러스 잔류물이 범프 사이에 갇혀서 팝콘현상 및 부식 문제를 야기하게 된다. 이러한 신뢰성 문제를 해결하기 위한 수단 중에 하나로 NCF (Non-conductive film) 을 사용한 마이크로 범프 본딩 방식이 있으며 산업체에서 다양한 이점들로 인하여 적용을 위한 연구 및 평가가 이루어지고 있다. NCF는 wafer-level로 적용 가능한 pre-applied type의 언더필이기에 기존에 개별 칩 단위로 다이싱, 언더필 물질 도포, 및 본딩이 이루지는 것을 웨이퍼 단위로 NCF 도포, 다이싱, 및 개별칩 본딩이 가능하기 때문에 전체적인 공정 시간을 단축시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한 본딩 공정에서는 플럭스/언더필/조인트 접합 기능을 한 번의 본딩만을 통해 이룰 수 있기에 공정 시간 및 비용까지 절감이 가능하다. 이러한 이점들로 인하여 NCF를 사용한 마이크로 범프 접합 기술을 기존의 접합 기술을 대체할 기술로 삼성전자, 퀄컴, 하이닉스 등의 대규모 제조업체에서 적용평가 및 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 박사학위논문에서는 NCF의 재료적인 특성 분석 및 본딩공정의 이론적인 모델화를 통해서 마이크로 범프의 접합 및 계면 신뢰성에 대한 연구를 진행하였다.
두 번째 챕터에서는 열압착 본딩 방식의 공정 변수인 승온 속도가 NCF 본딩에서 조인트 형성성에 가지는 영향에 대해서 분석하였다. Parallel plate 모델링을 통해 이를 이론적으로 본딩 공정 중에 변하는 gap size를 측정된 점도/시간 그래프를 사용하여 예측할 수 있었다. 5C/min, 10C/min, 및 20C/min의 승온 속도로 본딩된 COB 모듈의 모델링된 gap size와 실제 gap size는 모두 승온속도가 빠를수록 감소하는 경향을 보였으며 5% 미만의 정확도를 보였다. 세가지의 승온 속도로 본딩된 모듈들은 모두 안정적인 초기 컨택 저항과 데이지 저항값을 보였지만 열싸이클 신뢰성 평가 결과 높은 gap size로 불안정한 조인트 형태를 보인 5C/min의 모듈은 컨택 저항값이 크게 증가하였다.
세 번째 챕터에서는 NCF에 첨가되는 필러의 양과 크기가 패키지의 접합 신뢰성에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 크기의 의한 효과를 분석하기 위해 0.07um, 0.5~1.2um, 2~3um의 세 가지 종류의 필러가 첨가된 NCF를 사용하였으며 5wt%, 10wt%, 과 20wt%의 0.07um 필러가 첨가된 NCF를 통해 필러양의 의한 효과를 분석하였다. 필러 크기가 감소하고 양이 증가할수록 경화 최저 점도가 증가하였으며 모듈러스가 증가하고 열팽창계수가 감소하였다. ABAQUS를 통한 시뮬레이션 결과 이러한 열기계적 물성에 따라 발생하는 워피지의 양은 차이가 있었지만 실제 솔더 조인트가 받는 최대 응력의양은 큰 차이가 없었다. 실제 열싸이클 신뢰성 실험 결과 워피지양은 가장 적지만 높은 최저점도로 솔더 조인트가 불안정적으로 형성된 20wt% 필러가 첨가된 NCF 및 솔더 내부에서 필러 트래핑이 발생한 2-3um 필러가 첨가된 NCF에서 심각한 컨택저항 증가가 발생하였다.
네 번째 챕터에서는 NCF에 첨가되는 Zn 나노입자가 솔더 범프의 계면 신뢰성에 미치는 영향에 대해서 연구하였다. Zn 나노 입자는 NCF 레진 내에서 본딩 공정 중에 온도가 올라가면서 열에너지에 의해서 Brownian 움직임을 가지게 되고, 표면에너지를 최소화하려는 움직임 아래 솔더 표면에 흡착되거나 입자들이 응집하는 거동을 보이게 된다. 이러한 특성아래 플럭스 성분에 의해 솔더 산화막이 제거되면 솔더 내부로 확산이 이루어지게 된다. 이러한 특징에 의해 NCF의 점도가 낮을수록, 경화속도가 느릴수록, 플럭스 성분이 많을수록 솔더 내부에 확산되는 Zn의 양이 증가하였다. Zn 나노 입자가 첨가된 NCF로 본딩된 솔더 범프에서 형성되는 IMC의 성장 높이 및 IMC 활성화 에너지가 기존 NCF의 것에 비해 감소하는 것을 확인하였다. 또한 실제 20 마이크로 피치 마이크로 범프를 접합 후 고온 계면 신뢰성을 분석해본 결과 Zn NCF에 의해서 커퍼 패드 및 필러의 소모 속도가 감소하였다.
