As the fastest growing recent smartphone market in industries, the industries for electronic materials and components of mobile information technology equipment such as a portable display and multimedia capabilities have been made rapid growth. Accordingly, the semiconductor components of the mobile devices are required of multi-functional, integration, miniaturization, and lower power properties. This situation has led to increasing demand for semiconductor packaging technology of the new scheme with the high integration of a semiconductor transistor technology. Flip-chip module package using a 'Through Silicon Via (TSV)' that has started commercialization recently can be said that a representative example. Flip-chip bonding technology was already developed by IBM in 1960s. Especially the TSV & micro bump can vertically stack up the flip chips. In terms of the technical trend to the fine pitch scale, bonding method of copper pillar bumps of the application processor & the baseband & the central processing unit & the graphics processing unit is changed from the C2 (chip connection) reflow soldering technic to the thermal compression method in 2014. With this approach, it is possible to form reliable solder joints in a fine pitch. Because bonding can be proceeded by using the non-conductive adhesive film including the potential flux. The curing agent in film can be ensured to high room temperature storage stability, high temperature stability, insulation by using an acid anhydride series. Anhydride NCF can have potential flux properties at a particular temperature and starts acid and curing reaction at this temperature. For a flip-chip module substrate, there is adopted a thin core technology being expanded to reduce the thickness of the substrate to the current trends according to smaller and lighter implementation. However, the flip-chip module of the mobile device that has a large spatial limitation has a warpage characteristic problem due to the thermal expansion coefficient difference between the silicon chip and the organic substrate. So, the glass is required as a core material to improve warpage characteristic instead of copper clad laminate. And this glass has smaller warpage property with 50GPa or more elastic modulus. Thermal expansion coefficient of silicon or glass is lower than organic material. So this property has the advantage of fine pitch process and electrical characteristic. And the glass interposer is currently developing for applied to the 2.5D system in package (SiP). However the glass which is not processed by special treatment may be breakage in the specific situation, if it is handled without coating protection. In this thesis, we handle a ‘Glass Circuit Board (GCB)’ which complements this problem. GCB has a same multi layered structure of conventional ‘Printed Circuit Board (PCB)’ and advantages of the glass interposer. However ‘Through Glass via (TGV)’ formation and copper filling in TGV is the most difficult process to process glass circuit board. And we need to know the assurance methodology of quality and reliability of the module made. Currently, the circuit board is downsizing for small form factor of product. Area miniaturization of passives like capacitor, inductor, and resistor for noise filtering at high frequency is needed. So, the embedded passive technique is required for integration in the substrate. And we embedded the high-k capacitor in GCB using this technique. In this thesis, we study two experimental parts. In the first part, we develop the processes of the Glass Circuit Board (GCB) and its units. We firstly study the copper filling process in TGV. It is core technology for fabrication of GCB. And then we study its electrical characteristic. We study fabrication process and electrical characteristics of high-k MIM capacitor on glass substrate as embedded passives. We lastly study fabrication process of GCB and compare warpage property between conventional flip chip module and GCB module using computing simulation tool. In the second part, we study characterization and reliability of ultra-fine pitch flip chip assembly using NCFs. We firstly study optimized flip chip bonding condition based on parallel plate model equation for stable interconnection between ultra-fine pitch flip chip and substrate. We split the filler contents of non-conductive film including the potential flux component and then study the change of viscosity and elastic modulus of film by the effects of filler contents. Finally, we study the effects of these at long term reliability testing of ultra-fine pitch flip chip module.
최근 스마트폰 시장의 급성장으로 휴대용 디스플레이 및 멀티미디어 기능 등 모바일 정보기술 기기의 소재와 부품 산업이 급속한 성장을 이루어지고 있다. 이에 따라 모바일 기기 내의 반도체 부품들은 다기능화, 집적화, 소형화, 저전력화가 요구 되고 있다. 이러한 상황은 반도체 트랜지스터의 고집적화 기술과 함께 새로운 방식의 반도체 패키징 기술의 수요 증가로 이어지고 있다. 최근 상용화가 시작된 관통실리콘비아를 이용한 플립칩 패키지 모듈이 그 대표적인 예라고 할 수 있다. 플립칩 본딩 기술은 1960년대에 아이비엠이 이미 개발해 오래된 기술이지만 뛰어난 전기 특성과 가격 경쟁력, 경박단소의 부품 구현의 특성으로 인해 현재 다시 주목 받고 있다. 특히 관통실리콘비아를 사용하여 수직으로 3차원 적층을 가능하도록 해주기 때문에 관통실리콘비아를 이용한 플립칩 패키지는 주로 스마트폰의 어플리케이션 프로세서와 네트워크 서버 메모리에 많이 사용되고 있다. 현재 미세피치로 변화하는 기술적 추세로 보면, 어플리케이션 프로세서나 베이스밴드, 중앙처리장치, 그래픽처리장치 등의 디바이스가 2014년 전후로 구리 범프를 C2 (칩 연결) 리플로우 접합방식에서 열압착 접합방식으로 변화하고 있음을 볼 수 있다. 이 방식을 사용하면 잠재성 플럭스가 내포된 비전도성 접합 필름을 사용하여 본딩을 진행할 수 있기 때문에 $40\mu m$ 이하의 초미세 피치에서도 안정적인 솔더 조인트 형성이 가능하다. 그리고 필름의 경화제는 산무수화물 계열을 사용함으로써 높은 상온 보존성, 고온 안정성, 절연성을 확보할 수 있다. 또한 특정 온도 이상에서 경화가 시작되면서 산을 내놓기 때문에 잠재적 플럭스 특성을 확보할 수가 있다. 플립칩 모듈 기판의 경우, 현재 경박 단소화에 따른 추세에 맞춰 기판 두께를 줄이기 위해 얇은 코어 기술 채택이 확대되고 있다. 하지만 공간적 제한이 큰 모바일 기기의 플립칩 모듈에는 실리콘 칩과 유기 기판간의 열 팽창률 차이로 인하여 휨 특성 문제가 있다. 그래서 이를 개선하는 방향으로 구리 클래드 라미네이트를 대신하여 탄성계수가 50GPa 이상이고 휨 특성이 우수한 유리를 코어로 사용하여 기판을 만드는 기술이 요구되고 있다. 왜냐하면 열 팽창률이 낮은 유리 또는 실리콘 재질은 유기 재료에 비해 휨이 적어 미세피치 가공에 매우 유리하며, 전기적 특성도 좋다는 장점이 있기 때문이다. 그래서 현재 글래스 인터포져가 2.5차원 패키지시스템 적용을 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 가공 후 코팅이 되지 않은 글래스 인터포져를 이후 공정에서 다루게 되면 특정 상황에서 강화 처리되지 않은 유리는 깨짐 현상이 발생할 수도 있다. 그래서 본 논문에서는 이 점을 보완하고 기존의 프린트 회로기판 제품에도 적용하고자 ‘유리회로기판’을 다룰 것이다. 유리회로기판은 인터포져에서 실리콘이나 유기물기판 대비 유리가 가지는 장점을 가지면서 다층의 프린트 회로기판이 가지는 구조를 가지는 특징이 있다. 하지만 글래스 인터포져와 마찬가지로 관통유리비아 가공과 그 안에 구리 충전을 어떻게 하느냐가 관건이며, 이렇게 만들어진 모듈의 품질과 신뢰성을 어떻게 확보하는 가가 숙제로 남아 있다. 그리고 현재 기판의 면적이 작아지는 추세로 가면서 고주파수 전기신호에서 필터 역할을 담당하는 캐패시터나 인덕터, 저항 같은 수동소자들이 차지하는 면적을 줄이기 위해, 이를 기판 안으로 내장하는 기술이 요구되고 있다. 그래서 이를 유리회로기판에 내장하여 제작하는 기술이 필요한 상황이다. 본 논문은 크게 두 부분으로 나뉜다. 첫째 파트에서는, 유리회로기판을 구성하는 단위 소자 제작과 유리회로기판 제작 공정을 다룰 것이다. 여기서는 유리회로기판 제작의 가장 핵심 기술인 관통유리비아의 구리 충전 공정과 관통유리비아의 전기적 특성을 먼저 논할 것이다. 기판 안에 내장을 목적으로 유리기판 위에 고유전율 캐패시터 제작과 특성 연구를 할 것이다. 그리고 유리회로기판을 제작하는 공정을 다룰 것이며, 제작된 기존 유기 기판 모듈과 유리 기판 모듈 간의 휨 특성을 시뮬레이션 하여 비교할 것이다. 둘째 파트에서는, 비전도성 접합 필름을 이용하여 초미세 피치 플립칩 제작과 신뢰성에 대해 다룰 것이다. 가장 먼저 초미세 피치 플립칩 모듈의 안정된 접합 형태를 형성하기 위해 평행 판 모델 식을 근거로 최적의 플립칩 접합 조건을 다룰 것이다. 잠재적 플럭스 성분이 포함된 최적화된 비전도성 필름에 필러가 점도와 탄성 계수에 미치는 영향을 보여줄 것이다. 마지막으로 이 조건들이 초미세 피치 플립칩 모듈의 장기 신뢰성 시험에 미치는 영향을 보여줄 것이다.
