A study on the durability analysis for semiconductor package interconnects subject to thermal cycle test

Abstract

In this study, the physical properties of die attach interconnect material (Ag sinter), flip chip, and BGA interconnect materials (solder) of the package-on-package structure were measured, and durability analysis was conducted. First, a thermal failure life cycle of a wide bandgap (WBG) power module was predicted using finite element analysis considering the thermal-fatigue and creep deformation of Ag-sintered joints under periodic thermal-shock conditions. Creep tests were performed under continuous shear loading to evaluate the creep properties of Ag-sintered joints depending on the temperature and shear stress to analyze the thermomechanical behaviors of the WBG power module through thermal stress simulations. Finally, the failure life cycle of the Ag-sintered joint was calculated using the total strain-life equation based on the results of the thermal-fatigue experiments. Thermal-shock tests of the manufactured WBG power module were conducted to confirm the thermal-fatigue cycle at which the Ag-sintered joints began to be damaged. The failure life cycle of Ag-sintered joints was observed to be accurately predicted using the finite element simulations considering the creep and thermal fatigue behavior of the Ag-sintered joint. Second, a hybrid solder joint combining a Sn–Ag–Cu (SAC) solder ball and LTS paste was applied to secure a low process temperature and avoid the warpage of substrate and package. In addition, the reliability of the semiconductor package was analyzed under a thermal cycle (TC) condition from 0 to 125 °C through experiments and simulations. To reflect the visco-plastic properties of LTS containing bismuth, which has brittle characteristics, uniaxial tensile tests were conducted in terms of various strain rates and temperatures according to the mixing ratio of SAC solder and LTS. Anand properties were derived through nonlinear regression fitting using the ultimate tensile stress and yield stress of each condition. In addition, by making a simplified model using two types of PCBs with different coefficients of thermal expansion, the lifetime of the hybrid solder joint was measured during actual TC tests. For comparison of the results, the thermal fatigue life of a hybrid solder joint was predicted using finite element analysis considering the Anand visco-plastic properties of hybrid solder joints. It is expected that the reliability of next-generation high-integration semiconductor packages can be improved through the research on LTS properties conducted in this study. |본 연구에서는 SiC 파워모듈의 die attach로 사용되는 Ag 소결 접합부와, DRAM 반도체의 interconnect 로 사용되는 하이브리드 솔더 조인트의 기계적 물성을 도출하였다. 또한, 이를 반영한 유한요소해석을 통해 각 interconnect 재료의 열 사이클 수명을 예측하고, 실제 열 사이클 실험결과와의 비교를 통해 정합성을 검증하였다. 첫 번째로, 주기적인 열충격사이클 조건에서 Ag 소결 접합부의 열 피로/크리프 변형을 고려한 유한 요소 해석을 사용하여 WBG(Wide Bandgap) 파워 모듈의 열 고장 수명 주기를 예측하였다. WBG 파워모듈의 열역학적 거동을 분석하기 위해 연속 전단하중 하에서 크리프 시험을 수행하여 온도와 전단응력에 따른 Ag 소결 접합부의 크리프 특성을 평가하였다. 이를 반영한 유한요소해석 시뮬레이션을 통하여 열충격사이클과 일치하는 온도변화가 진행되는 동안 파워모듈 패키지의 응력/변형률 분포가 예측되었다. 마지막으로 열 피로 실험 결과를 바탕으로 총 변형률-수명 방정식을 사용하여 Ag 소결 접합부의 파손 수명 주기를 계산하였다. 제작된 WBG 파워모듈의 열충격 시험을 통해 Ag 소결 접합부가 소성변형에 의해 손상되어 SiC chip에 영향을 주기 시작하는 열피로 사이클을 확인하였다. 그 결과 도출한 크리프 및 피로물성이 반영된 시뮬레이션을 통해 확보한 Ag 소결 접합부의 파손수명 (1920 cycle)이 실험결과(1800~2000 cycle 사이 chip crack 발생) 내에 존재하여 본 연구를 통해 도출한 물성의 신뢰성을 검증하였다. 두 번째로, DRAM 메모리 반도체 패키징 공정 시 낮은 공정온도를 확보하고 기판과 패키지의 휨을 저감하기 위해 SAC (Sn-Ag-Cu) 솔더볼과 저온솔더 (LTS, low temperature solder) 페이스트를 결합한 하이브리드 솔더 조인트의 물성을 측정하였다. 취성 특성을 가진 비스무트(Bi)를 함유한 저온솔더의 점소성 특성을 반영하기 위해 SAC 솔더와 저온 솔더의 혼합비율에 따라 다양한 변형률 및 온도조건 하에서 단축 인장시험을 수행하였다. ANAND 물성은 각 조건의 극한 인장응력과 항복응력을 이용하여 비선형 회귀피팅을 통해 도출하였다. 두 가지 reflow 조건에 따라 하이브리드 솔더 조인트를 형성한 단순화 패키지 모델을 제작하여 실제 열 사이클실험을 통해 비스무트의 분포가 다른 두 가지 대표case에 대한 열 사이클 수명을 측정하였다. 결과를 비교하기 위하여 하이브리드 솔더 조인트의 ANAND 점소성 물성을 반영한 유한요소해석을 통해 crack initiation 수명을 예측하였다. 그 결과, reflow 조건에 따라 비스무트가 gradient 하게 분포되는 것이 잘 반영되어 실험결과 및 시뮬레이션의 수명예측 경향성이 크게 일치하는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 전력변환 반도체 및 메모리 반도체의 interconnect 재료의 기계적 물성과, 이를 반영한 내구해석에 대한 신뢰성을 확보하였다. 패키지 수명예측에 영향을 주는 외부요인이 최대한 제거된 단순화 모델을 사용하여 각 interconnect joint의 물성이 지배적으로 고려되었기 때문에 실제 각 반도체 패키지 모델의 수명예측에 있어 선행연구로서 큰 의미가 있으며, 추후 복잡한 구조 및 응력조건 하의 반도체 패키지에 본 재료들이 사용될 경우 수명예측 정확도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.