Chip on film (COF) is a packaging technology that is currently applied to the manufacturing process of liq-uid crystal display. The industrial trends toward the densification and miniaturization of electronic devices de-mands a steadily decreasing Cu lead spacing of IC package substrate. The electrical bias in the presence of moisture (or condensed water) can trigger an electrochemical phenomenon, called electrochemical migration (ECM) on printed circuit board (PCB) or IC package substrate. In ECM process, metal migrates as ions from anodic site to cathodic site where it is deposited in a form of dendrite. The insulating resistance (SIR) between the adjacent electrodes is significantly reduced by the growth of dendritic electrodeposit. Eventually a current leakage occurs, thereby leading to circuit failures of electronic components.
Most research on the electrochemical migration of package substrate has been carried out under the DC bi-as condition. However, COF in the display package needs AC (square wave) power to provide the response time that is an important parameter in determining display image quality. Flat panel display shows a static image, and as the result, edge smearing in moving object is observed at low response time. Therefore, evaluation of the electrochemical migration on COF package for the display must be performed under AC bias condition. There are few publications on the issue of the electrochemical migration under AC bias (square wave voltage profile). Therefore, electrochemical migration behavior of COF package substrate under AC bias condition needs to be clarified in detail.
The fine pitch IC substrate (COF) consists of Cu electrodes with a thickness of 8 $\mu$m on polyimide film with a thickness of 35 $\mu$m. The comb patterns were made using an anisotropic subtractive etching technology. The Cu comb patterns were coated with Sn of 0.4 $\mu$m thickness. The gap size between the electrodes on the fine pitch IC substrate was 15 $\mu$m with the electrode width of 10 $\mu$m in all cases.
the ECM behavior of the fine pitch IC substrate was examined by a water drop test (WDT) in which 10 V square wave bias with 10 - 480 Hz frequency range were applied. The WDT and electrochemical tests were per-formed in a deionized water at room temperature.
Electrochemical migration behavior of a fine pitch IC substrate under square wave AC bias
Effects of AC bias on the electrochemical migration response of a fine pitch IC substrate for a flat panel display were investigated by a water drop test and scanning electron microscope with energy dispersive spec-troscopy. Sn coated on Cu electrodes was found to be very effective in improving the resistance to ECM of fine pitch IC substrate under DC 3 V due to both the low corrosion rate of Sn and the low solubility product of Sn(OH)4. While the time to failure due to ECM (termed the ECM TTF in this work) for the fine pitch IC sub-strate is less than 1 s at a direct current (DC) bias of 10 V, it is approximately 330 s at an alternating current (AC) bias of 10 V at 10 Hz and approximately 3,940 s at 240 Hz. The ECM TTF increased in proportion to the fre-quency under AC 10 V bias.
Effects of frequency on the electrochemical migration and failure mechanism of a fine pitch IC substrate under square wave AC bias
Effects of square wave frequency on the ECM TTF of the fine pitch IC substrate were examined with elu-cidating the failure mechanism of the Sn coated Cu in the fine pitch IC substrate under square AC bias, using the water drop test (WDT), SEM-EDS, XPS, and analytical analysis. The ECM TTF of the fine pitch IC sub-strate increased in proportion to the frequency. Dendrites of Sn or that of Cu was not formed between Sn coat-ed Cu electrodes. In contrast, a large amount of $Sn(OH)_4/SnO_2$ and $Cu_2O/Cu(OH)_2$ were precipitated between the electrodes under AC bias. The amount of the precipitates and the ratio of Cu to Sn in the precipitates also increased with testing time. The ECM failure mode under AC bias is an electric short failure caused by the flow-ing of leakage current resulting from the electrochemical reaction of exposed Cu, and also from a current flow through $Cu(OH)_x$ and $Sn(OH)_x$ precipitates with relatively low electrical resistance between electrodes. The re-gion in which the precipitates were formed depends on the applied frequency; at low frequency, the precipitates were formed in all region across electrodes, whereas, at high frequency, they formed in region near the surface of electrodes.
Effects of Cu-Sn intermetallic compound on the electrochemical migration of a fine pitch IC substrate un-der square wave AC bias
Cu-Sn intermetallic compounds (IMC) were formed at an interface of the Sn coated Cu in the fine pitch IC substrate by annealing, and then the effects of the Cu-Sn IMC on the susceptibility to ECM TTF under square wave AC bias were explored using the water drop test, anodic polarization test, potential measurement, AES and SEM surface analysis.
Cu-Sn IMC are formed by thermal annealing treatment during the process of COF manufacturing and dis-play module fabrication. The difference in the ECM TTF between Cu-Sn IMC formed electrode and Sn coated Cu electrode was not distinguished due to the high rates of nucleation and growth of dendrites under DC 10 V bias. Whereas, the ECM TTF of the Cu-Sn IMC formed Cu electrode (1030 s) was less than that of Sn coated Cu substrate (2370 s) under square wave 60 Hz AC 10 V bias due to the difference in corrosion current density for the two samples. The resistance of ECM depend on both the dissolution rate of electrodes and the for-mation of dendrites under DC bias, while that only depend on the dissolution rate of electrodes under square wave AC bias.
Corrosion properties of Sn and Cu-Sn intermetallic compound in the electronics circuit system
Electric corrosion behavior of surface finished materials (pure Sn, $Cu_6Sn_5$ and $Cu_3Sn$) on Cu plate and the difference in ECM between the surface finished materials were investigated on the base of electrochemical techniques, considering corrosion environment of electronics parts; small amount of electrolyte and aeration condition. In this environment, corrosion rate at 1 $V_{SCE}$ increase in the order of Sn, $Cu_6Sn_5$, $Cu_3Sn$. These are in good agreement with the results of their ECM TTF behavior under 2 V DC bias. In case of $Cu_3Sn$ on Cu plate, resistance of pseudo passive film increased with increasing anodic treatment time at 1 $V_{SCE}$. The pseudo passive film is composed of $SnO_2$, $Cu_2O$, $Cu(OH)_2$, as confirmed by XPS analysis. High concentration of $OH^-$ makes a stable barrier film on the surface due to the formation of metal hydroxide / metal oxide. Also, stability of barrier film is increased by the increase in ratio of Cu to Sn in the barrier film. Whereas, in pure Sn on Cu plate, local-ized corrosion occurred, confirming no barrier effect of the pseudo passive film.
Chip on Film (COF) 패키징 기술은 현재 평판 디스플레이의 구동에 적용되는 기술이다. 전자기기의 고밀도 소형화의 기술 동향에 따라서 패키징 기판의 구리 배선 간격의 감소는 요구되고 있다. 습기 또는 응축수가 있는 패키징 기판 및 PCB 기판에 전압이 인가되면 전기화학적 반응을 야기하게 되는데, 이를 전기화학적 마이그레이션 (Electrochemical migration) 현상이라고 한다. 전기화학적 마이그레이션은 양극에서 발생한 금속이온이 음극으로 이동하여 덴드라이트 (Dendrite) 형태의 금속이 음극에서 도금되게 된다. 인접한 두 전극 사이에 절연 저항은 덴드라이트의 성장에 의하여 급속하게 감소하게 되고, 결국 전류 누설이 발생하게 된다. 이는 전자기기의 회로 불량을 야기하게 된다.
대부분의 전기화학적 마이그레이션에 대한 연구들은 대부분의 전자기기의 작동 환경인DC 전압 환경에서 수행되었다. 그러나, 디스플레이 구동을 위한 COF의 전압은 구형파 (square wave)의 AC 전압이 필요하다. 평판 디스플레이 (Flat panel display, FTD)의 구동에 있어서AC 전압은 평판 디스플레이의 빠른 응답속도를 얻기 위한 매우 중요한 요소이다. 평판 디스플레이 는 브라운관 디스플레이 (CRT display)와는 다르게 정지 이미지이기 때문에, 낮은 응답속도인 경우 역동적인 화면에서 번짐 현상이 발생하게 되므로 빠른 응답속도를 위한 구형파의 높은 주파수가 요구된다.
이러한 이유로 평판 디스플레이 구동을 위한COF 패키지의 전기화학적 마이그레이션 평가는 AC 환경에서 수행되어야 한다. AC 환경 하에서의 전기화학적 마이그레이션에 대한 연구결과는 거의 보고되지 않고 있으며, DC 환경에서의 전기화학적 마이그레이션 메커니즘으로는 AC 환경에서의 전기화학적 마이그레이션 메커니즘을 설명할 수 없다. 때문에 디스플레이 셋트, 패널, COF 부품 모두의 장기적인 신뢰성 확보와, 고장 진단 및 원인 규명, 개선 대책 수립을 위하여 AC 환경에서의 미세 피치의 IC 실장 기판에 대한 전기화학적 마이그레이션에 대한 깊이 있는 연구가 필요하다.
미세 피치의 IC 실장 기판 (Fine pitch IC package substrate, COF)은 35 $\mu$m 두께의 폴리이미드 (Poly-imide) 필름 위에8 $\mu$m 두께의 Cu 전극으로 구성되어 있다. Comb 형태로 배치된 회로는 회로 식각 기술 (Anisotropic subtractive etching technology)을 이용하여 제조되고, Comb 형태의 구리 전극은 0.4 $\mu$m 두께의 주석 침지도금 (Immersion Sn plating)으로 표면처리 하였다. 전극 간 간격은 15 $\mu$m이며 전극의 폭은 10 $\mu$m 로 설계 및 제조 되었다.
미세 피치의 IC 실장 기판 (COF)의 전기화학적 마이그레이션 거동 평가를 위하여 10V, 10 - 480 Hz의 구형파 주파수 영역에서 20 $\mu$L 물방울 시험법 (water drop test)을 수행하였다. 물방울 시험법 및 전기화학 실험은 상온에서 탈 이온수 환경에서 진행되었다.
1. 구형파 AC 전압 하에서 미세 피치 IC 실장 기판의 전기화학적 마이그레이션 거동
미세 피치의 IC 실장 기판의 전기화학적 마이그레이션 거동에 미치는 AC 전압의 영향은 물방울 시험법, SEM-ESM 분석을 통하여 연구하였다. DC 3 V 조건에서 물방울 시험 결과 주석이 표면 처리된 구리 전극은 전기화학적 마이그레이션 저항성이 향상되었다. 그 이유는 Sn의 낮은 부식 속도와 Sn(OH)4의 낮은 용해도곱 때문이다. 주석이 코팅된 구리 전극의 전기화학적 마이그레이션 (Electro-chemical migration) 고장 시간 (Time to failure), 즉 ECM TTF는 DC 10 V 조건에서 1초 이내인 반면에 AC 10 V조건에서의 ECM TTF는 10 Hz에서 330 초, 240 Hz에서 3940 초로 측정 되었다. AC 조건 하에서 ECM TTF는 주파수 증가에 비례하여 증가함을 확인하였다.
2. 구형파 AC 전압 하에서 미세 피치 IC 실장 기판의 전기화학적 마이그레이션에 미치는 주파수의 영향과 불량 메커니즘
미세 피치의 IC 실장 기판의 ECM TTF에 미치는 구형파 주파수의 영향과 고장 메커니즘은 물방울 시험법과, SEM-EDS, XPS, 이론적 해석을 통하여 연구하였다. 미세 피치의 IC 실장 기판의 ECM TTF는 주파수 증가에 비례하여 증가하였다. AC 10 V 전압 하에서 Sn 또는 Cu의 덴드라이트는 전극 사이에서 관찰되지 않았다. 반면에 전극 사이에 다량의 $Sn(OH)_4$ / $SnO_2$ and $Cu_2O$/ $Cu(OH)_2$가 석출되었다. 석출물의 양과 석출물의 Sn대 Cu의 비율은 물방울 시험 시간 증가에 따라서 증가하였다. AC 전압 하에서 ECM 불량 모드는 전기적 쇼트에 의한 것으로 그 원인은 구리 전극의 전해질로의 노출 및 반응 속도 증가가 누설 전류를 야기하는 것과 전극 사이에 상대적으로 절연 저항을 낮추는 구리 및 주석 산화물 및 수산화물의 형성 때문이다. 석출물 (Precipitates)이 형성되는 영역은 인가 주파수 변화에 의존하는 것을 확인하였다. 낮은 주파수에서는 석출물이 전극과 전극 사이의 모든 영역에서 형성되는 반면, 높은 주파수에서는 석출물이 전극 근처에서만 형성되는 것을 확인하였다.
3. 구형파 AC 전압 하에서 미세 피치 IC 실장 기판의 전기화학적 마이그레이션에 미치는 Cu-Sn 금속간 화합물의 영향
주석이 코팅된 구리 전극의 미세 피치 IC 실장 기판에서 열처리에 의하여 구리와 주석 계면에 Cu-Sn 금속간 화합물 (IMC)은 열처리 온도와 시간을 제어하여 형성하였다. 그 후 Cu-Sn IMC의 ECM TTF 민감성을 구형파 AC 전압 하에서 물방울 시험, 양극 분극 시험, 반전지 전위 측정, ASE, SEM을 이용하여 평가 및 분석 하였다. DC 10 V 전압 하에서 Sn이 코팅된 Cu 전극과 Cu-Sn IMC가 형성된 Cu 전극간의 ECM TTF의 차이는 빠른 덴드라이트의 생성 및 성장 속도로 인하여 구별되지 않았다. 반면에 AC 60 Hz 10 V 전압 하에서 Cu-Sn IMC가 형성된 Cu 전극의 ECM TTF는 1030 초로 Sn이 코팅된 Cu 전극의 ECM TTF 2360 초 보다 낮아짐을 확인하였다. 이러한 차이는 코팅 재료의 부식 속도 차이 때문으로 사료 된다. DC 전압 하에서의 ECM 저항성은 전극의 용해속도와 덴드라이트 형성 속도에 의존한다. 반면에 AC 전압 하에서의 ECM 저항성은 단지 전극의 용해속도에만 의존함을 확인하였다.
4. 전자기기 회로 시스템에서 Sn과 Cu-Sn 금속간 화합물의 부식 특성
Cu플레이트 (Plate) 위에 형성된 표면처리 재료 (Sn, $Cu_6Sn_5$, $Cu_3Sn$)의 전기부식 (Electric corrosion) 거동과 이들 재료의 ECM 저항성 차이는 실제 부식 환경 (소량의 전해질, 산소 농도)을 고려한 전기화학적 실험법을 통하여 연구하였다. 1 $V_{SCE }$하에서의 표면처리 재료의 부식 속도는 Sn > $Cu_6Sn_5$ > $Cu_3Sn$의 순으로 증가하였다. 이러한 거동은 2 V 전압 하에서의 ECM TTF 거동과 잘 일치하였다. Cu3Sn의 경우 1 $V_{SCE }$ 에서 형성된 부동태막 (Passive film)의 저항은 전압 인가 시간 증가에 따라서 증가하였다. 이 부동태막의 화학구조는 XPS를 통하여 분석한 결과 $SnO_2$, $Cu_2O$, $Cu(OH)_2$로 확인하였다. 높은 농도의 OH- 이온은 재료 표면에서 금속수산화물/금속산화물을 형성하여 안정한 부동태막을 형성하는데 기여하였다. 또한 부동태막의 안정성은 이들 막내에 존재하는 Sn대비 Cu 비율이 증가할수록 증가하였다. 반면에 Sn이 코팅된 Cu 플레이트의 경우 국부 부식 현상이 관찰되었으며 이로 인하여 부동태막의 부식 억제 효과는 나타나지 않았음을 확인하였다.
