A study on non-conductive film (NCF) for fine-pitch Cu-pillar/Sn-Ag bump interconnection

Abstract

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.