미세피치 플립칩 열압착 접합용 저 열팽창 계수 실란변성 NCA와 Ni-free 표면처리 연구

Abstract

In semiconductor device packaging, the number of I/Os increases due to the demand for small form factors and high performance. As a result, the pitch of the flip-chip bump that forms the bond with the substrate pad is reduced. As an adhesive that improves the reliability of flip-chip joints as bumps become finer pitched, underfill is being considered for replacement with NCA, which is pre-applied before bonding due to difficulties in filling and flux cleaning. In addition, as the package becomes lighter, thinner, and smaller, the warpage phenomenon increases due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the chip and the substrate. As a conventional bonding method, mass reflow is challenging to control chip and substrate warpage, so the thermos-compression bonding method is being considered to replace it. In addition, DEG and EPIG, which remove the thickest Ni layer from the existing ENIG and ENEPIG, are being introduced as a surface finish for fine pitch in the substrate material. These fine-pitch flip-chip technologies require reliability verification for each technology and face the following problems. The NCA for fine-pitch has the advantage of lowering the CTE by adding inorganic fillers to lower the CTE, but it is trapped between the joints, reducing the joints' reliability. And for the new surface finishes (EPIG and DEG), the thickness of the surface finish is very thin in the nanometer order of 200 nm or less, and it has the advantage of applying to fine-pitch joints. However, the interdiffusion of Cu and Sn without the Ni(P) layer is expected to be significant, and accordingly, studies on the changes in IMC and joint reliability are needed. Therefore, it is expected that studies on the changes in IMC and joint reliability will be needed. This article conducts the following studies:

Chapter 3 tried to understand the effect of filler content and particle size distribution on the properties of NCA. As the filler content increased, the CTE decreased as previously reported, but the void ratio increased due to moisture adsorbed on the filler surface. These pores became larger with increasing filler content, but can be controlled by heat treating the filler prior to formulation. Additionally, as the filler content increased, it became trapped in the solder and junctions of the substrate, resulting in degradation of electrical properties. Reducing the size distribution range of filler particles (removal of nanoparticles and large particles) can solve the agglomeration caused by nanoparticles. Also, by increasing the charge dissipation, the void fraction also decreases.

Chapter 4 attempted to reduce the CTE of NCA's own epoxy matrix to reduce filler content and reduce filler traps that degrade the electrical properties of the joint. To lower the epoxy CTE, it was synthesized with a coupling agent (epoxy silane) to maximize the action of low-content filler. It was confirmed that synthesizing epoxy silane and epoxy resin was possible at 250 °C for 2 hours. Silane modified NCA with silane-modified resin has a low CTE of 40ppm/°C even with 30% filler content due to increased dispersion of fillers and shorter bond lengths with fillers. In addition, the silane group of the silane-modified NCA had the effect of improving the wetting force between the chip and the substrate and increasing the bonding strength. In

Chapter 5, the suitability of EPIG and DEG, Ni-free nano scale surface finish of flip-chip joints, was studied using silane-modified NCA. The interfacial properties between the new surface finishes (EPIG and DEG) and the Cu pillar/SnAg cap bump with low solder volume were studied. EPIG and DEG could not compensate for the rough surface of the etched Cu pad before plating due to the thin thickness of the surface finish. For EPIG, when the Pd thickness was 0.2 µm, the surface roughness decreased, resulting in a reduced filler trap and slightly lower contact resistance. After that, in the growth of IMC, since there was no Cu diffusion barrier layer in DEG, the growth of IMC was highest compared to other surface finishes, and Cu6Sn5 and Cu3Sn phases were formed. In the case of EPIG, IMC was formed thicker than ENIG and ENEPIG, and the (Pd,Cu)Sn4 phase was formed due to the relatively high concentration of Pd due to the small volume despite the Pd thickness of 0.1 μm. The 0.2 µm of Pd thickness of EPIG can inhibit IMC growth because the Pd layer remains after soldering.

This paper aims to study the suitability of silane-modified non-conductive adhesives with low-CTE and of nano scale surface finish with Ni-free as bonding materials to meet the requirements of fine pitch flip-chip thermo-compression bonding technology. In this paper, we presented a novel synthesis method using a coupling agent and an epoxy resin and a method for preparing silane-modified NCA to understand the effect of fillers on NCA and to address the degradation of NCA properties due to filler content Silane-modified resins improve the dispersion of fillers in NCA, reduce surface tension, and improve the wettability of fillers and inorganic materials, improving bonding properties with low CTE even with the addition of low-content filler. For the new EPIG and DEG surface finishes required for fine-pitch, the filler trap increased because the surface roughness of the etched Cu could not be compensated for before the plating surface finish. However, the filler trap and contact resistance can be reduced by increasing the Pd thickness of the EPIG. Based on the results of previous studies, guidelines for improving the reliability of packages were proposed when applying Silane-modified NCA and EPIG using 0.2 μm of Pd thickness as a material for bonding fine-pitch chips. | 반도체 소자의 패키징은 소형 폼 펙터 및 고성능의 요구로 입출력 단자 수가 증가하게 되고 그에 따라 반도체 칩 접합 방식은 기존 와이어 본딩 보다 입출력 단자 수가 큰 플립칩 접합 방식이 널리 사용되고 있으며, 기판 패드와 접합부를 형성하는 플립칩 범프의 피치는 입출력단자 수가 늘어남에 따라 감소하게 된다. 범프의 미세피치화에 따라서 플립칩 접합부 신뢰성을 향상시키는 접착제로써 적용되는 언더필은 충진 및 플럭스 세척의 어려움 때문에 접합 전 미리 도포하는 NCA로의 대체가 검토되고 있다. 또, 패키지의 경박단소화에 따라 칩과 기판의 열팽창계수 차이에 의해 휨 현상이 증가 한다. 기존의 접합방식으로써 메스리플로우는 칩 및 기판 휨 현상을 제어 하기 어려워 이를 대체하기 위한 열압착 접합방식의 도입이 검토 되고 있다. 또, 기판 소재에서도 미세피치용 표면처리로써 기존의 ENIG 와 ENEPIG에서 가장 두꺼운 Ni층을 제거한 DEG와 EPIG가 소개 되고 있다. 이러한 미세피치 플립칩 기술들은 각 기술별로 신뢰성 검증이 반드시 필요하며, 다음과 같은 문제점을 직면한다. 미세피치용 NCA의 경우 CTE를 낮추기 위해 무기 필러를 첨가하는데 이는 CTE를 낮추는 이점도 있지만 접합부 사이에 트랩 되면 접합부 신뢰성을 악화시키게 된다. 그리고, 새로운 표면처리(EPIG 및 DEG)의 경우 표면처리의 두께는 200 nm 이하 급으로 매우 얇아 미세피치 접합에 적용 가능하지만 Ni(P)층이 없기 때문에 Cu와 Sn의 상호확산이 클 것으로 예상되며 이에 따른 IMC 변화 및 접합부 신뢰성에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 다음과 같은 연구를 진행하였다.

제 3장에서는 필러의 함량, 입도 분포가 NCA 물성에 미치는 영향을 이해하고자 하였다. 필러의 함량이 증가할수록 기존 보고 대로 CTE는 감소하였지만 필러 표면에 흡착된 수분에 의해 보이드를 유발하였다. 이 보이드는 필러 함량이 증가할수록 커졌지만 포뮬레이션 전 필러의 열처리를 통해 제어할 수 있었다. 또 필러의 함량이 증가함에 따라 솔더와 기판 접합부의 트랩 되어 전기적 특성을 저하시켰다. 필러 입도 분포범위를 좁히면(나노 입자와 큰 입자를 제거) 나노 입자로 인한 응집을 해결 할 수 있고 필러 분산도가 증가하여 보이드 분율 또한 감소하였다.

제 4장에서는 접합부의 전기적 특성을 저하시키는 필러 트랩을 줄이고자 필러 함량을 낮추기 위해 NCA의 에폭시 매트릭스 자체의 CTE를 낮추고자 하였다. 에폭시 CTE를 낮추기 위해 낮은 함량의 필러의 작용을 극대화시키기 위한 커플링제(에폭시 실란)와 합성을 진행하였다. 에폭시 실란과 에폭시 레진의 합성은 250°C에서 2시간 조건에서 합성이 가능한 것을 확인하였다. 실란변성 레진을 적용한 NCA(실란변성 NCA)는 필러 분산도를 높이고 필러와의 짧은 결합 길이를 가져 30 wt% 필러 함량에서도 40 ppm/oC의 낮은 CTE를 나타냈다. 실란변성 NCA의 실란기는 칩과 기판의 젖음력을 향상시켰고 접합강도 상승 효과를 가져왔다.

제 5장에서는 NCA를 사용하는 플립칩 접합부의 Ni-free 나노 표면처리 EPIG 및 DEG를 적용하여 볼륨이 낮은 Cu/SnAg 필러 범프와의 계면특성 및 필러트랩 특성을 연구하였다. EPIG 및 DEG는 표면처리 두께가 얇아 도금 전 에칭 된 Cu pad의 거친 표면을 상쇄시킬 수 없었다. EPIG의 경우 Pd 두께가 0.2 μm 일 때 표면거칠기가 감소하여 필러 트랩을 줄이고, 접촉저항을 다소 낮출 수 있었다. 이어서 IMC 성장에서는 DEG의 경우 Cu 확산 방지층이 없어 IMC성장이 다른 표면처리의 비해 가장 컸으며, Cu6Sn5, Cu3Sn 상이 형성되었다. EPIG의 경우 ENIG 및 ENEPIG에 비해 IMC가 두껍게 형성되었고, Pd 두께가 0.1 μm임에도 불구하고 볼륨이 작아 상대적으로 Pd 농도가 높아 (Pd,Cu)Sn4상이 형성 되었다. EPIG의 0.2 μm의 Pd 두께는 솔더링 이후에도 Pd 층이 남아 있어 IMC 성장을 억제할 수 있었다.

본 논문의 목표는 미세피치 플립칩 열압착 접합기술의 요구사항을 충족하기 위한 접착소재로써 낮은 CTE를 갖는 실란변성 비전도성 접착제(non-conductive adhesive, NCA)및 Ni-free 나노 표면처리의 적합성에 대해 연구하는 것이다. 본 논문에서는 필러가 NCA의 미치는 영향에 대해 이해하고 필러의 함량이 끼치는 NCA의 특성 저하를 해결하기 위해 커플링제와 에폭시 레진을 이용한 새로운 합성법과 실란변성 NCA 제조 방법을 제시하였다. 실란변성 레진은 NCA의 필러 분산도 향상, 표면장력 감소 및 필러와 무기물에 대한 젖음성 향상을 가져와 저 함량의 필러 첨가에서도 낮은 CTE를 갖고 접합부 특성 향상을 가져왔다. 미세피치에 필요한 새로운 표면처리 EPIG 및 DEG의 경우 표면처리 도금 전 에칭된 Cu의 표면거칠기를 상쇄시킬 수 없어 필러 트랩이 증가하였지만 EPIG의 Pd 두께를 증가시켜 필러 트랩 및 접촉저항을 낮출 수 있었다. 위 연구 결과를 토대로 미세피치 플립칩 접합용 소재로 실란변성 NCA 및 Pd 0.2 μm를 갖는 EPIG를 적용시 패키지 신뢰성 향상을 가져올 수 있는 방향을 제시하였다.