무연 솔더 범프를 이용한 플립칩용 새로운 Ni-Zn UBM 에 대한 연구

Abstract

최근에, 납의 환경적인 문제로 인하여 플립 칩(flip chip) 솔더(solder) 결합 기술에 Pb-Sn 대신에 무연(Pb-free) 솔더를 이용하는 연구가 광범위하게 이루어져 왔다. Sn-Cu, Sn-Ag, 그리고 Sn-Ag-Cu 솔더들은 플립 칩 본딩(bonding)에 이용되는 솔더 범프(bump)로써 고려되었다. 플립 칩 기술의 한가지 방향은 무연 솔더에 적용 가능한 하부금속층(under bump metallurgy, UBM)을 찾는 것이다. Cu 층은 하부금속층의 솔더 젖음층(wetting layer)으로 널리 이용되어 왔다. 그러나, Sn 이 많이 포함된 솔더와 Cu 사이에서의 많은 반응으로 인하여 금속간 화합물(intermetallic compound. IMC)이 과대하게 형성되고, 이는 Cu 의 빠른 소모를 야기시킨다. Ni 층은 Sn 과의 반응이 느려서 Cu 의 대체 물질로써 고려되어 왔다. 고순도의 촘촘한 Ni 박막은 스퍼터링 방법으로 증착할 수 있다. 그러나, Ni 이 자성체라서 Ni 타겟(target)의 일반적인 마그네트론(magnetron) 스퍼터링은 비효율적이다. 본 연구에서는 마그네트론 스퍼터링으로 쉽게 제조 가능한 새로운 Ni-Zn 하부금속층을 개발하였다. 우선, Ar 스퍼터링 압력에 따른 하부금속층의 잔류 응력(residual stress)이 측정되었다. 잔류 응력은 스퍼터링 후, Si 웨이퍼(wafer)의 곡률(curvature) 변화를 측정함으로써 계산되었다. Ni-Zn 박막은 0.4 Pa 의 Ar 압력에서 Ni 박막보다 더 낮은 최소 응력을 가졌다. SiO2/Si 웨이퍼 위에 마그네트론 스퍼터링으로 Au (50 ㎚)/Ni-Zn (2 ㎛)/Ti (50 ㎚) 하부금속층을 제조하였다. 비교대상으로 Au (50 ㎚)/Ni (2 ㎛)/Ti (50 ㎚) 하부금속층 또한 제조하였다. 그리고 두 경우 모두 순수한 Sn (50 ㎛) 을 전해도금 방법으로 증착하였다. 플럭스(flux)를 분사한 후에, 리플로우 오븐(reflow oven)으로 260℃ 에서 15초 동안 리플로우를 실시하였다. 다음으로 시편들을 150℃ 에서 1000시간 동안 시효처리(aging)를 하였다. 그 후에, 계면의 금속간 화합물을 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)으로 관찰하였고, EDS (energy dispersive spectrometer) 와 XRD (x-ray diffraction) 로 조성을 파악하였다. 리플로우 동안 Ni3Sn4 금속간 화합물이 Sn/Ni-Zn 계면과 Sn/Ni 계면에서 형성되었다. 시효처리 전에 Needle-type 의 Ni3Sn4 금속간 화합물 표면이 시효처리 후에는 planar-type 으로 변하였다. 금속간 화합물의 두께는 시효처리 시간에 따라 증가하였다. Sn/Ni-Zn 계면에서의 Ni3Sn4 의 두께가 Sn/Ni 계면에서 보다 더 얇게 형성되었다. 또한 시효처리 동안 Ni-Zn 하부금속층의 소모 속도는 Ni 하부금속층의 경우보다 더 느렸다.