As electronic system integration advances, electro packaging must meet demands such as high I/O capabilities, high speeds, and high densities. 3D packaging is one of the solutions to satisfy these requirements. Specifically through-silicon via (TSV) technology is a promising packaging structure for next-generation devices. It contains a vertical electrical path thorough Si chips. Because of development of TSV technology, new types of materials and methods are needed in chip-on-board (COB) technology.
It has a limitation to secure joint stability and reliability of COB assembly when interconnects between devices connected by through-silicon via(TSV) and substrate using conventional reflow bonding method and solder bumps. The first restriction is voids between the chip and substrate which is not filler up with capillary underfill due to difficulty of filling narrow space at fine bump pitch. Although, solder has been used as a bump to form an interconnection during the last few decades, solder bumps are becoming problematic and facing fine solder bump pitch issues like solder bump bridging due to the scaling down of devices. In order to solve these limitations, a b-stage non-conductive film (NCF) technology emerges to solve this reliability issue using thermal compression bonding. In addition, the bump structure should change from solder to Cu-pillar/Sn-Ag micro-bumps.
The purpose of this thesis is to investigate the material effects on COB assembly to ensure the joint reliability.
In the introduction, electro packaging trend will be introduced and explained the difficulty of COB bonding on the fine bump pitch. Due to the difficulty of COB bonding, new types of materials and technologies should be applied for electro packaging to make fine bump pitch interconnection. The needs of NCF process and humidity effects on electro packaging will be explained. For the bump materials, various bump materials would be compared with conventional solder bump and Cu-pillar/Sn-Ag micro bump in terms of their merits and demerits. Furthermore, the reason of bad interfacial reliability would be explained with IMC ratio on the joint area depending on solder volume when applied Cu-pillar/Sn-Ag micro bumps on COB bonding. Lastly, the levels of electro packaging would be explained, among the packaging levels, functions of level 1, COB assembly was explained.
In chapter 2, the reliability of micro solder bump joints on COB assembly was investigated in humidity environment when used b-stage NCF. The adhesion was important to ensure the reliability in humidity environment among the NCF properties. Thus, it is need to enhance the NCF adhesion to secure joint reliability. Silane coupling agent was applied to NCFs to enhance the adhesion. Depending on the amount of silane coupling agent in NCFs, NCF properties were investigated such as mechanical properties, moisture uptake ratio, and adhesion before and after exposed at 121$^oC$, 2atm, and 100% relative humidity (RH) in PCT chamber. By adding silane coupling agent to NCFs, NCF mechanical properties such as modulus and Tg and the adhesion were increased, and moisture gain was prevented. It was due to increase cross linked density. Moisture uptake at OH sites was investigated because it was severely affected at interface which was verified by FT-IR and surface energy. Lastly, the reliability of Cu-pillar micro solder joint was evaluated in humidity environment.
In chapter 3, in order to investigate joint reliability on COB packaging, the surface finish of organic substrates was observed. A thermal compression bonding with pre-applied b-stage NCF was adopted to form solder joints between Cu pillar/Sn-Ag micro bump and PCB vehicles with various pad metal finishes. Four different surface finishes (Thin Ni ENEPIG, OSP, ENEPIG, ENIG) were evaluated by thermal cycle(T/C) test up to 2000 cycles at temperatures ranging from -55 to 125 oC and high-temperature storage test (HTST) up to 1000 hours at 150 oC.
In chapter 4, the effects of solder resist on COB assembly was investigated. Lack of solder volume at joint area caused bad interfacial reliability at the Cu-pillar/Sn-Ag micro bump on fine bump pitch. Thus, solder volume should be compensated from the solder on pad (SOP) on the substrate. The solder bumps on the pad should be pressured for bonding process by coin process. The stress would cause the deformation of solder bumps and solder resist during coin process. The deformation amount of solder resist was depended on the solder resist mechanical properties. The mechanical properties of solder resist were evaluated. The deformation of solder resist was evaluated at different pressure and temperature of coin conditions. The effects of deformation on the stability of COB assembly were investigated.
전자 제품의 발전됨에 따라서 전자 패키징 또한 빠른 속도와 고 집적화가 요구 된다. 3D 패키징은 이러한 요구를 만족시킬수 있는 방법중 하나의 기술이다. 3D 패키징 중에서도 최근 가장 주목받고 있는 기술은 TSV 기술로써 디바이스간의 접속을 Si 칩에 수직방향으로 구멍을 통하여 전기적인 도통이 되도록 한 구조이다.
Through-silicon via(TSV)로 칩간의 접속이 되어 있는 디바이스와 기판이 접속되는 Chip-on-Board(COB) 어셈블리는 기존의 접속 방법 및 재료로는 미세 접속에 대한 안정성 및 신뢰성을 확보하는데 한계가 존재한다. 첫번째로 플립칩 접속이 된 칩과 기판의 사이 공간을 Underfill 재료를 이용하여 채워 신뢰성을 확보해야 하나 좁은 공간과 미세 범프 피치로 인하여 Void가 잔존하는 신뢰성 문제가 있다. 두번째로 전극간의 접속을 하는 솔더 범프의 경우 고온에서의 접속시 솔더의 부피 팽창으로 인한 Short 문제가 발생된다. 이러한 한계를 극복하기 위해서 기존의 Reflow 접속 방법이 아닌 Pre-applied b-stage Non-Conductive-Film(NCF)를 이용한 열압착 접속 방법이 제안되었으며 미세 범프 피치에서의 솔더 범프의 한계를 극복하고자 Cu-pillar/Sn-Ag 마이크로 범프가 제안되었다.
본 연구에서는 COB 어셈블리에서 Pre-applied b-stage NCF를 이용하여 칩과 기판을 열압착 접속 시 재료들의 특성에 따른 조인트 신뢰성에 대해 연구 하였다.
1장에서는 전자 패키징의 최근 경향과 COB 어셈블리의 미세 범프 피치 접속에서의 문제점에 대해 설명하였다. 미세 범프 접속의 한계를 극복하기 위한 새로운 접속 방법 및 범프 재료에 대해 기존의 방법과 재료와 장,단점에 대해 비교하였다.
미세 범프 피치 접속에 사용되는 b-stage NCF를 이용한 접속 방법과 기존의 접속 방법에 대해 비교 하였다. 또한 미세 범프 피치 접속에 사용되는 Cu-pillar/Sn-Ag 마이크로 범프의 솔더 비율의 감소에 따른 상대적으로 증가한 Inter-Metallic-Compound(IMC)의 비율로 인하여 조인트의 신뢰성 저하 문제에 대해 언급하였다. 또한 Printed Circuit Board(PCB) 전극의 표면 처리에 따른 IMC의 종류와 특성에 대해 설명하였다. 마지막으로 전자 패키징의 단계에 대해 설명하였으며 레벨 1 COB 어셈블리의 기능 및 역할에 대해 설명하였다.
2장에서는 마이크로 범프 접속의 흡습 환경에서의 신뢰성에 대해 연구 하였다. 미세 범프 접속시 사용되는 NCF의 밀착력은 신뢰성을 확보하는 중요한 인자이다. 따라서 밀착력을 향상시키기 위한 실란의 효과에 대해 연구 하였다. 실란의 첨가에 따른 NCF의 흡습량 및 물리적 특성에 대해 측정하였으며 밀착력에 대해서는 Die shear 테스트와 Double cantilever beam(DCB) 테스트를 이용하여 측정하였다. 또한 실란의 NCF 표면에서의 작동 여부에 대해 FT-IR과 표면에너지 측정을 통하여 검증하였다. 마지막으로 실란 첨가에 따른 흡습 환경에서의 마이크로 범프 조인트의 신뢰성에 대해 평가 하였다
3장에서는 PCB 전극 표면 처리에 따라서 형성되는 IMC에 의한 마이크로 범프 조인트 신뢰성에 대해 연구 하였다. Pre-applied b-stage NCF가 라미네이션된 칩을 열압착 방법으로 4종류의 전극 표면 처리된 PCB와 마이크로 범프 접속을 하였다. 4 종류의 전극 표면 처리된 PCB와 마이크로 범프를 접속후 Thermal cycle 테스트를 -55 to 125 oC 조건에서 2000시간까지 진행 하였으며 150 oC에서 1000시간 동안 HTST 테스트를 진행 하였다. 4종류의 전극 표면 처리에 따른 마이크로 조인트의 신뢰성의 차이점에 대해 연구 하였으며 가장 우수한 신뢰성을 보여준 Thin Ni ENEPIG의 얇은 Ni 층에 의한 마이크로 조인트의 영향에 대해 연구하였다.
4장에서는 COB 어셈블리에서의 솔더 레지스트의 영향에 대해 연구 하였다. 솔더 레지스트의 기계적 특성에 따라서 다양한 조건에서 코인 공정을 진행시 솔더 레지스트의 변경에 대해 관찰하였다. 솔더 레지스트의 기계적 특성에 따라서 코인 공정에서 솔더 범프의 변형시 잔류 응력의 정도와 응력 집중 부위에 대해 시뮬레이션을 통해서 검증하였다. 또한 솔더 레지스트의 기계적 특성에 따라서 COB 어셈블리의 솔더 조인트의 안정성에 대해 연구하였다.
