주석-아연 무연 솔더 층을 이용한 실리콘 웨이퍼 접합에 관한 연구 = A study on the silicon wafer bonding using Sn-Zn Pb-free solder layer

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최근 미세 전자 부품의 소형화, 경량화, 고기능화가 추구되고 있다. 이에 대한 요구를 만족하기 위해 웨이퍼 레벨 전자 패키징에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 웨이퍼 레벨 패키징에 대한 연구는 경제성과 소형화를 고려할 때 큰 잠재력을 가지고 있으며 그 중에서 웨이퍼와 기판의 접합에 관한 연구는 중요한 위치를 차지하고 있다고 할 수 있다. 웨이퍼 간 접합은 MEMS, microelectronics, optoelectronics 등 다양한 분야에 적용 가능하며 고진공 패키징, 밀봉 처리, 캡슐화 등에 사용된다. 실리콘 웨이퍼 간 접합하기 위한 방법으로 direct 접합, anodic 접합, eutectic 접합, thermo-compression 접합, 솔더 접합, adhesive 접합 등 다양한 방법이 연구 발전되고 있다. 이 중 솔더 중간층을 이용한 접합 방법은 여러 장점을 가지고 있다. 특히 패키징 후 공정에서 매우 중요한 요소로 작용하고, 접합 강도에 영향을 줄 수 있는 접합 온도를 낮출 수 있는 장점을 지닌다. 또한 솔더 반응으로 인해 생기는 금속간화합물은 매우 강한 접합을 형성할 수 있으며, 400℃ 이상에서의 고온에서도 안정한 접합을 유지할 수 있다는 장점을 지닌다. 본 연구에서는 플럭스를 사용하지 않고 void가 없는 실리콘 웨이퍼 간 접합을 형성하기 위하여 Sn-Zn 솔더 층을 사용하였다. 기존의 납을 함유한 솔더의 사용은 환경적인 문제로 제한되고 있다. 이를 대체할 솔더로서 Sn을 주성분으로 하는 Sn-3.5Ag, Sn-3.5Ag-0.5Cu 솔더 등이 제안되고 있으며, 최근 Sn-Ag계 솔더에 비해 녹는점이 낮고 경제적 장점을 지닌 Sn-Zn 솔더도 많은 연구가 진행 중이다. 하지만 Sn-Zn 솔더의 경우 활성화 특성이 강해서 다루기 힘든 점이 있으며, 불량한 젖음 특성, Void, 산화 등의 여러 문제점이 있다. 본 실험에서 전기 도금으로 형성한 Sn-Zn 솔더 층의 경우 접합 과정 시 Zn의 산화 문제로 인해서 접합이 잘 이루어지지 않았고, Zn의 산화를 막기 위해서 evaporation, sputter 방법을 사용하여 Au capping 층을 증착시켜 보았지만 접합 시와 고온 열처리시 안정하지 못하였다. 이 점을 고려하여 Sn-Zn 솔더 층을 Thermal evaporation으로 형성하여 다양한 온도에서 접합하여 보았다. 250℃에서 접합 하였을 때, 접합 계면에서 Sn이 남아 있었고, Ni 과 Sn의 계면에서 Ni3Sn2, γ-NiZn3, γ-Ni5Zn21 등의 다양한 금속간화합물이 형성되었다. 반면 0.5㎫, 350℃에서 접합을 하였을 때, Sn은 거의 남아있지 않았으며 접합 계면에서 γ-NiZn3, γ-Ni5Zn21 등의 금속간화합물이 형성되었으며, Ni-Zn 금속간 화합물과 Ni 사이에서 Ni3Sn2 등의 금속간화합물이 형성되었다. 금속간 화합물로 접합된 시편의 고온에서의 안정성을 알아보기 위하여 400℃ 이상에서 열처리를 하였을 때 Ti의 두께가 얇을 경우에 Ni과 Si 계면에서 Nickel silicide가 형성되었고, 이로 인해 접합 계면에서 void가 발생하거나 접합이 떨어지는 등 불안정한 상태를 보였다. 이에 반해 Ti 두께를 100nm 정도 두껍게 증착하였을 경우에는 접합 계면이 안정하게 유지되었고 void도 확연하게 감소하였다. 접합 강도를 측정하기 위해서 100㎛/sec 속도로 die shear 테스트를 실시하였고, 시편의 접합 면적이 기존의 솔더 보다 크기 때문에 die shear tester를 기준에 맞추어 제작하여 신뢰성을 테스트 하였다. 그 결과 350℃ 5분간 접합하고 500℃에서 30분간 열처리한 시편의 경우, 30㎫ 정도의 접합 강도 가지며, 안정한 접합 계면이 형성되었음을 확인할 수 있었다.
Advisors
Yu, Jinresearcher유진researcher
Description
한국과학기술원 : 신소재공학과,
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2008
Identifier
296260/325007  / 020063523
Language
kor
Description

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과, 2008.2, [ vii, 71 p. ]

Keywords

wafer; bonding; solder; Tin; Zinc; 웨이퍼; 접합; 솔더; 주석; 아연

URI
http://hdl.handle.net/10203/51847
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=296260&flag=dissertation
Appears in Collection
MS-Theses_Master(석사논문)
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