Through Silicon Via 3D SiP에서 Sn-Ag capping 층을 이용한 칩과 칩 접합

Abstract

본 연구에서는 실제적으로 Through Silicon Via (이하 실리콘 관통전극)에 적용할 수 있는 칩과 칩 접합에서 솔더 bump (이하 범프) 접합부의 미세구조가 기계적인 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 칩과 칩을 적층 할 시에 접합부에서는 여려 미세구조가 발생할 수 있다. 이렇게 발생한 미세구조들이 기계적으로 어떤 특성을 가지고 어떠한 영향을 미치는지 연구하고, 미세구조의 변화에 따른 신뢰성 평가를 위해 고온에서의 열처리를 실시하였으며 기계적 특성을 분석하였다. 칩과 칩 접합 시 범프 상단에 얇은 층을 형성하여 접합을 하면 접합 온도와 압력을 크게 낮출 수 있는 장점을 가진다. 본 연구에서는 미세 구리 범프 위에 얇은 주석-은 층을 형성한 뒤 접합을 하여 세가지 미세구조를 형성 후 시효 처리 전, 후의 미세구조 변화와 그에 따른 기계적 특성의 변화에 대해서 연구하였다. 우선 리소그래피와 전해도금을 이용하여 10㎛ X 10 ㎛, 20㎛ X 20 ㎛, 30㎛ X 30 ㎛ 크기의 미세 구리 범프에 2 ㎛ 두께의 얇은 주석-은 층을 형성하였다. 시편의 크기를 위와 같이 결정한 이유는 실제로 실리콘 관통전극에 사용되는 미세 범프에서도 기존의 연구와 같은 경향을 보이는지를 알고자 함이고, 크기를 세가지로 나눈 이유는 미세 범프의 크기에 따라서 어떤 차이점이 있는지를 알고자 함이다. 열-압력 본더를 이용하여 주석-은/구리 패드와 주석-은/구리 칩을 245℃-330℃에서 접합하였고, 접합 조건에 따라 세 가지의 다른 미세구조가 얻어졌다. 첫 번째 형태의 시편에서는 가운데에 Sn-rich상이, 양쪽의 구리 계면에서는 Cu6Sn5 상이 생성되었다. 두 번째 형태의 시편에서는 가운데에 Cu6Sn5 상이, 양쪽의 구리 계면에서는 Cu3Sn 상이 생성되었다. 세 번째 형태의 시편에서는 Cu3Sn 상만이 형성되었다. 접합부의 전단강도를 측정해 본 결과 Cu3Sn 상만을 가진 세 번째 형태의 시편이 가장 큰 전단강도 값을 가졌다. 접합된 시편들을 150℃ 에서 2000 시간 동안 시효처리를 한결과, 시효처리 동안에 모든 시편 접합부의 조직이 Cu3Sn 단상으로 변하였다. 첫 번째와 두 번째 형태의 시편의 경우, 전단강도 값이 처음에는 빨리 증가하다 나중에는 감소하는 것을 볼 수 있었다. 가장 큰 전단강도 값은 접합부의 미세구조가 모두 Cu3Sn 상으로 변한 직후에 얻어졌다. 그 이후에 전단강도 값이 감소한 이유는 시효처리에 따른 고체 상태에서의 상호 확산이 일어날 때 구리와 주석의 확산속도 차이로 이한 미세공공이 형성되었고, 미세공공을 따라 파단이 일어났기 때문이다. 세 번째 형태의 시편의 경우는 초기에 가장 큰 값을 가진 후 시효처리 동안에 천천히 감소하는 모습을 보였다. 세 번째 시편의 경우 초기 접합 시 Cu3Sn 단상을 형성하기 때문에 시효처리 중 상변화가 일어나지 않고 그에 따른 미세공공 역시 형성되지 않는다. 때문에 시효처리 동안에 전단강도 값이 거의 일정한 것을 볼 수 있다. 범프 크기에 따른 영향은 10㎛ X 10 ㎛ 크기 시편에서 확인할 수 있었다. 범프의 크기가 작아질수록 범프 내부를 통한 확산보다는 표면을 통한 확산이 우세해지고, 그에 따라 전체적인 확산 속도가 증가하는 것을 볼 수 있었다. 증가된 확산속도로 인해 단 시간 내에 Cu3Sn 단상을 형성하고 미세공공의 형성 역시 빨리 형성되는 것을 확인하였다. 이런 이유로 다른 크기의 시편보다 빠른 시간 내에 최고 전단강도 값을 가지고, 미세 공공으로 인한 전단강도 값의 하락시간도 빨리 찾아오게 된다. 결론적으로 시효처리 전과 후에 있어서 가장 높은 전단강도 값을 가지는 Cu3Sn 단상을 형성하여 칩과 칩을 접합하는 것이 좋으며, 특히 미세 범프를 사용하는 실리콘 관통전극에 있어서, 크기가 작은 범프일수록 빠른 확산 속도로 인한 전단강도 값의 하락이 빠른 만큼 Cu3Sn 단상을 이용하는 접합 방법이 더욱더 효과적임을 알 수 있다.