광모듈에 실장되는 광·전소자의 저온 및 멀티 플립칩 본딩에 관한 연구

Abstract

광접속 모듈은 고속 대용량의 광신호를 병렬로 전달하는 데 사용되며 전기적 접속의 병목현상을 해결할 수 있는 유일한 대안 기술로써 하나의 대표적 예로 표면방출레이저(VCSEL)를 이용한 광연결(optical interconnection)을 들 수가 있다. 한편 IT 산업의 발달이 급속히 이루어지면서 기능이 복합화 추세와 고성능화가 요구되어 짐에 따라 광연결 구도에서 광전송시 사용되는 광도파로가 기판 위에 형성되며 동시에 다양한 기능을 포함하는 광 또는 전자 소자들이 한 기판 위에 array 타입으로 실장될 가능성이 커진다. 하지만 최근 환경 안정성, 낮은 광 손실, 다양한 기판에 대한 접착성, 유연성, 경제성 등에 있어서 많은 장점을 갖고 있어 그 필요성이 증가하고 있는 폴리머 광도파로는 광연결 기판 구도에서 VCSEL이 실장될 위치와 인접하고 있기 때문에 VCSEL을 플립칩 본딩시 발생하는 열로 인해 폴리머 광도파로가 열적으로 손상될 위험이 있다. 이밖에 여러 광 또는 전자 소자들을 멀티 플립칩 본딩시 기판의 온도가 여러 번 상승하는 동안 솔더의 부피변화에 따른 본딩 높이 변화가 발생되거나 접합 강도 저하, 정렬 틀어짐 및 기울어짐이 발생하여 광소자와 광도파로 간의 접속(coupling)이 저하되므로 이를 억제할 수 있는 방안을 제시해야 한다. 본 연구에서는 광연결 구도에서 VCSEL array를 플립칩 본딩시, 기판 아래 형성되어 있는 폴리머 광도파로의 열적 손상을 막기 위해 저융점 솔더 재료인 인듐 솔더 범프를 이용하였다. 동시에 현재 광패키징에서 가장 많이 사용되고 있는 AuSn 솔더 범프를 이용하여 여러 광.전소자들이 한 기판 위에 array 타입으로 실장되는 이른바 연속 멀티 플립칩 본딩 공정시 발생할 수 있는 문제점을 파악하고 그 해결책을 제시하고자 한다. 본 연구는 크게 두 부분(Part I (제 3, 4 장) / Part II (제 5, 6 장))으로 구분할 수 있으며 그 내용은 다음과 같다. 본 논문의 제 3장을 통해 차세대 광원으로 각광받고 있는 VCSEL array를 저융점 솔더인 인듐 범프를 이용하여 fused silica 기판 위에 플립칩 본딩한 후 본딩 특성을 평가하였으며 인듐 범프의 문제점을 파악하였다. 제 4장에서는 인듐 솔더 범프의 단점을 극복하기 위한 방법으로 은(Ag) 표면 코팅을 선택하였고 이렇게 형성한 ‘인듐/은’ 솔더 범프의 표면 분석과 기계ㆍ전기적 신뢰성 테스트를 실시하여 본딩 특성을 개선하고자 하였다. 제 5장에서는 향후 다양한 기능을 포함하는 광 또는 전자소자들이 한 기판 위에 array 타입으로 실장 될 가능성이 커짐에 따라 연속 멀티 플립칩 본딩 공정시 발생할 수 있는 본딩 후 전단 강도 및 미세 조직 변화에 대한 연구를 다루고자 한다. 제 6장에서는 멀티 플립칩 패키지에 대해서, 유한요소해석(Finite Element Analysis) 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램인 ANSYS를 이용하여 멀티 플립칩 공정 중 패키지내 열분포를 측정하였다. 그 다음, 이웃 솔더 범프 및 솔더 접합부에 열적 손상을 미치지 않고 플립칩 본딩할 수 있는 본딩 조건을 도출하여 실제 공정에 적용해보았다.