Sn 범프와 NCA (non-conductive adhesives)를 이용한 COF 본딩 공정

Abstract

NCA)를 이용한 실장기술이 제안되었다. NCA를 이용한 접합방법은 전도성 입자 없이 범프 와 패드가 직접 접촉되며 접합도중 열에 의해 큐어링된 NCA가 칩과 기판을 지지해 주는 형태이므로 NCA는 필름 형태로 성형해야 하는 ACF와 달리 페이스트 형태이며 전도입자가 포함되어 있지 않으므로 보다 저가격으로 제조할 수 있으며 전도성 입자에 의해 전기적 연결을 수반하는 ACF 와 달리 NCA를 사용하면 범프의 전면적이 패드와 접촉하므로 접촉면적이 전도성 입자를 사용하는 ACF보다 커서 접속저항이 작다는 이점을 가진다. 또한 극 미세피치에 적용할 경우 전기적 open 현상이나 short가 발생 하지 않는다는 장점을 가진다. 하지만 NCA를 이용한 접합방법의 경우 일반적으로 사용하고 있는 Au 범프의 높이오차를 보정해줄 수 있는 전도입자가 없기 때문에 균일한 높이의 범프 형성이 매우 중요하다. 하지만 전해도금의 특성상 항상 범프의 높이를 같게 형성하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 ACF를 이용한 접합 방법과 NCA를 이용한 접합방법의 문제점을 복합적으로 보완할 수 있는 접근 방법이 필요하였으며 이러한 접근방법 중에 하나로서 NCA를 사용하며 범프의 소성변형을 이용한 접합방법을 이용하고자 하였다. 즉 범프 자체를 소성변형 시켜 범프의 높이오차를 보완하는 방법을 사용하였으며 소성변형이 잘되는 연성 범프를 사용하면 hard한 범프를 사용할 때 보다 높이가 높은 범프는 쉽게 소성변형이 일어나기 때문에 범프의 높이차이가 어느 정도 발생하더라도 소성변형으로 보완하여 전체 범프의 접속이 가능해진다. 본 연구에서는 NCA (non-conductive adhesive)와 작은 접합하중에도 소성변형이 가능한 Sn/Cu 범프를 이용한 COF 접합을 하였다. SiO2/Si 웨이퍼 위에 스퍼터링 시스템을 이용하여 Ti/Au/Cu/Ti의 금속층을 형성하였으며 접속저항 측정을 위한 배선층과 범프가 형성될 범프 패턴을 노광 공정과 습식 에칭 공정을 이용하여 형성하였다. 전해도금을 이용하여 형성된 범프 패턴이 100 ㎛ 피치를 가지며, 약 20 ㎛의 Sn/Cu 범프를 형성하였다. Sn/Cu 범프와 금속 패드를 접합할 때 NCA가 트랩이 되는 현상을 줄이기 위해 전해 도금된 Sn/Cu 범프를 RTA (Rapid temperature annealing)를 이용하여 리플로를 실시하였다. 이때의 peak 온도는 275℃ 였으며 시간을 5초간 실시하였다. 접합공정은 사각형 모양의 square Sn/Cu 범프와 반구형의 reflowed Sn/Cu 범프가 형성된 시편을 각각 F-PCB와 180℃에서 경화가 가능한 NCA를 사용하여 저온에서 접합을 실시하였고, 90 MPa의 하중에서 10초 동안 접합을 실시하였다. 접합된 시편의 전기적 특성을 관찰하기 위해 4단자 방식으로 접속저항을 측정한 결과 두 가지 형태의 솔더 범프 모두 매우 낮은 접속 저항을 얻을 수 있었다. COF 접합된 시편의 신뢰성을 분석하기 위한 신뢰성 테스트로 high temperature storage test (150℃, 1000 h), thermal cycling test (-25℃/+150℃, 1000 cycle), temperature and humidity test (85℃/85%, 1000 h)를 각각 실시하였다. 신뢰성 테스트 동안 reflowed Sn/Cu 범프 시편의 경우 접속저항이 거의 일정하게 유지되는 경향을 관찰할 수 있었으며, 모든 COF 접합에서 신뢰성 테스트를 마친 후 failure가 발생한 범프는 없었다. 하지만 square Sn/Cu 범프 시편의 경우 신뢰성 테스트 동안 COF 접합의 접속저항이 거의 일정하게 유지 되었지만 TC test와 T&H test 동안 몇몇의 범프에서 failure가 일어났다. 즉, square Sn/Cu 범프 시편의 경우 접합 시 NCA의 트랩 양이 더 많아 초기 접속저항이 약간 높았으며, 신뢰성 테스트 이후 failure rate가 증가하는 것으로 판단 되었다. 본 연구에서는 NCA와 두 가지 형태의 Sn/Cu를 사용하여 저온공정이 가능하고 낮은 접속저항을 가지는 COF 접합방법을 개발하였으며, 신뢰성 테스트를 거쳐 접합부의 신뢰성을 비교 확인하였다.; Chip-on flex (COF) bonding, mounting a bare chip onto a flexible substrate is possible to achieve very high interconnection density, to reduce the weight and the size, to eliminate connectors and to get more flexibility in design with COF bonding by flip chip method [2]. Conventionally, anisotropic conductive film (ACF) which contains dispersed conductive particles in the adhesive polymer resin, has been widely applied for temperature sensitive devices because COF bonding can be done at low bonding temperature in COF bonding [3]. Recently, COF bonding using gold stud bump and NCA has been used in image sensor packaging. However it fails to meet the increasing requirements for low cost and higher reliability flip chip technology. To overcome these problems, we developed a new COF bonding using Sn bumps and NCA. Sn was used as the bump material because the bumps forms easily by electroplating, bump geometry is easily controlled, and the metallurgical bonding in the interface between Sn bumps and metal pads is possible [17]. In this study, two types of solder bumps were formed and these solder bumps on a chip was bonded with a flex by thermo-compression method using a NCA. Then COF joints were evaluated by measuring the contact resistance of each joint and this technique was applied for image sensor packaging. The electroplated Sn bumps were formed through photo-lithography and electroplating on 5 ㎛ thick Cu under bump metallurgy (UBM). The reflowed bumps were formed by reflowing the electroplated bumps in a forming gas. The electroplated bumps have square shape with the dimension of 60 ㎛ x 60 ㎛ in the 100 ㎛ pitch size. The reflowed bumps are hemi-spherical with a smooth surface in the 100 ㎛ pitch size. Solder bumps of 30 ㎛ size and 60 ㎛ pitch were formed too. The solder bumps formed by electroplating are Sn (15㎛)/Cu (5㎛). Solder bumps on a test chip and Cu pads (12 ㎛ thick) on flexible-printed circuit board (F-PCB) joined together by thermo-compression method. Interconnection layers on the test chip were designed so that contact resistance of each joint can be measured. After dispensing the NCA, all COF joints were made at 180℃ for 10 s under 90 MPa. No flux was used during process. The contact resistance (Rc) of each joint was measured using the four point probe method. As the failure criterion, contact resistance value of solder joint larger than 100 mΩ was regarded as a failed bump [6]. Contact resistance of COF joints fabricated with the square bumps and the reflowed bumps was measured more than 400 solder joints and 600 solder joints respectively. All joints fabricated using electroplated Sn bumps or reflowed Sn bumps were successfully formed and no joint failed electrically. The average contact resistance of electroplated and reflowed Sn bumps was 17.1 mΩ and 9.6 mΩ, respectively. The low contact resistance of COF joints fabricated with the electroplated Sn bumps or the reflowed Sn bumps was due to metallurgical bonding between Sn bumps and Cu pads of F-PCB. During bonding at 180℃, Sn bumps were heavily deformed and the fresh metal surfaces of Sn were exposed so that Sn bumps were reacted with the Cu pad of F-PCB. The Cu6Sn5 intermetallic compound was observed in the interface between Sn bumps and Cu pads of F-PCB as well as Sn bump and Cu UBM [17]. Contact resistance of the reflowed Sn bump specimen was a little lower than that of the square Sn bump specimen. Sometimes NCA trapping was observed in the interface of Sn bumps and Cu pads in the COF joints fabricated with the square solder bumps, NCA trapping was ascribed to the rough surface and flat bump geometry of the square Sn/Cu bumps [18]. On the contrary, in case of COF joints with the reflowed solder bumps, a hemispherical Sn bump initiated point contact with Cu pad during bonding and then NCA was squeezed out between solder bumps easily with further pressuring [18]. The low contact resistance of COF joints fabricated with the reflowed Sn/Cu bumps was owing to the less NCA entrapment between Sn bumps and Cu pads interfaces [18]. To evaluate the reliability of COF joints, high temperature storage test (150℃, 1000 h), thermal cycling test (-25℃/+150℃, 1000 cycle) and temperature and humidity test (85℃/85%RH, 1000 h) were performed. During reliability test, contact resistance was measured at several time intervals. In the high temperature storage test, contact resistance of COF joints with the reflowed solder bump specimens was kept almost constant with test time. No failed bump was observed. The similar results were obtained in thermal cycling test and temperature & humidity test. However, several failed joints were detected in the COF joints fabricated using the electroplated Sn/Cu bumps after reliability test. Increased failure rate in the square bump specimens is attributed to the NCA trapping in the interface between Sn bumps and Cu pads [18]. We applied the COF bonding technique to image sensor packaging and identified prospect result. After Sn bumps were formed on the image sensor chip, Sn bumps on the chip was bonding with F-PCB using NCA and assembled to camera module successively. As the result of function test, the image sensor worked well and showed good reliability after T&H (85℃/85%RH, 1000 h) test. We demonstrate that the COF bonding technique using Sn bumps and NCA can be applied to image sensor chip which require lower temperature bonding, lower cost and higher reliability.; 최근에 휴대폰, 노트북, PDA 등과 같은 휴대용 전자 제품 등에서는 점차 고성능화, 소형화, 고밀도의 반도체 패키지가 요구되고 있다. 즉, 더욱 미세한 피치를 갖는 회로 기판에 대한 요구가 증가하고 있으며 이에 대해 COF (chip-on flex)와 같은 패키지가 그 대안으로 떠오르고 있다. COF 접합은 베어칩(bare chip)을 연성 기판(flexible substrate)에 플립칩 본딩 방법으로 고밀도 실장이 가능 하며, 제품의 무게와 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제품의 디자인에 있어서 많은 유연성을 제공 하는 장점을 지니고 있다. 일반적으로 저온공정이 가능한 이방성 전도필름(ACF: anisotropic conductive film)을 사용한 COF 본딩 기술은 카메라 모듈용 이미지 센서나 LCD 드라이버 IC 와 같은 온도에 민감한 제품 (temperature sensitive device)에 주로 적용되어 왔다. 이 방법은 flexible-printed circuit board (F-PCB) 기판에 전도성 입자가 접착제 내부에 분포된 ACF를 lamination 시킨 후 IC를 정렬하고 열과 하중을 가하여 전도입자들이 범프와 전극 사이에 물려 접합되는 방법이다. 즉, ACF를 이용한 접합방법은 필름형태의 에폭시 수지 내부에 존재하는 전도성 입자의 탄성을 이용한다. 높은 열과 하중을 주게 되면 필름형태의 에폭시 수지가 녹게 되고 다시 경화되면서 칩과 기판을 고정시켜 주므로, 전도성 입자는 범프와 패드 사이에 고립되어 전기적으로 연결이 이루어지게 된다. 여기서 높은 하중으로 눌려진 전도성 입자는 탄성에 의한 복원력이 생기게 되므로 범프의 높이 차이가 생기더라도 전도성 입자의 탄성이 작용하기 때문에 범프와 패드간 접합이 이루어지게 된다. 그러나 전도성 입자에 의해 범프와 전극패드가 접촉하므로 전기적으로 연결되는 접촉면적이 작아 접속저항이 크며 범프간의 간격이 극 미세피치화 될 수록 범프의 면적이 줄어들게 되어 범프와 전극 사이에 존재하며 전도역할을 하는 전도입자가 범프와 패드계면에 존재하지 않아 발생하는 전기적 open현상이 생길 수 있다. 또한 범프와 범프 사이의 간격도 줄어들게 되므로 전도입자가 범프와 범프 사이에 끼어서 이웃 범프가 서로 전기적으로 연결되어 발생하는 전기적 short현상도 생길 수 있다는 문제점을 지닌다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 최근에 비전도성 접착제(Non Conductive Adhesive