Cu/Sn-3.5Ag 미세범프 구조에 따른 실시간 금속간화합물 성장거동 분석

Abstract

3차원 적층 패키지를 위한 Cu/Sn-3.5Ag 미세범프의 솔더 구조에 따른 금속간화합물 성장거동을 분석하기 위해 솔더 두께가 각각 <TEX>$6{\mu}m$</TEX>, <TEX>$4{\mu}m$</TEX>인 서로 다른 구조의 미세범프를 <TEX>$130^{\circ}C$</TEX>, <TEX>$150^{\circ}C$</TEX>, <TEX>$170^{\circ}C$</TEX> 조건에서 실시간 주사전자현미경을 이용하여 실시간 금속간화합물 성장 거동을 분석하였다. Cu/Sn-3.5Ag(<TEX>$6{\mu}m$</TEX>) 미세범프의 경우, 많은 양의 솔더로 인해 접합 직후 솔더가 넓게 퍼진 형상을 나타내었고, 열처리 시간경과에 따라 <TEX>$Cu_6Sn_5$</TEX> 및 <TEX>$Cu_3Sn$</TEX>금속간화합물이 성장한 후, 잔류 Sn 소모 시점 이후 <TEX>$Cu_6Sn_5$</TEX>가 <TEX>$Cu_3Sn$</TEX>으로 상전이 되는 구간이 존재하였다. 반면, Cu/Sn-3.5Ag(<TEX>$4{\mu}m$</TEX>) 미세범프의 경우, 적은양의 솔더로 인해 접합 직후 솔더의 퍼짐 현상이 억제 되었고, 접합 직후 잔류 Sn상이 존재하지 않아서 금속간화합물 성장구간이 억제되고, 열처리 시간경과에 따라 <TEX>$Cu_6Sn_5$</TEX>가 <TEX>$Cu_3Sn$</TEX>으로 상전이 되는 구간만 존재하였다. 두 시편의 <TEX>$Cu_3Sn$</TEX>상의 활성화 에너지의 값은 Cu/Sn-3.5Ag(<TEX>$6{\mu}m$</TEX>) 및 Cu/Sn-3.5Ag(<TEX>$4{\mu}m$</TEX>) 미세범프가 각각 0.80eV, 0.71eV로 나타났고, 이러한 차이는 반응기구 구간의 차이에 따른 것으로 판단된다. 따라서, 솔더의 측면 퍼짐 보다는 접합 두께가 미세범프의 금속간화합물 반응 기구를 지배하는 것으로 판단된다. Thermal annealing tests were performed in an in-situ scanning electron microscope chamber at <TEX>$130^{\circ}C$</TEX>, <TEX>$150^{\circ}C$</TEX>, and <TEX>$170^{\circ}C$</TEX> in order to investigate the effects of solder structure on the growth kinetics of intermetallic compound (IMC) in Cu/Sn-3.5Ag microbump. Cu/Sn-3.5Ag(<TEX>$6{\mu}m$</TEX>) microbump with spreading solder structure showed <TEX>$Cu_6Sn_5$</TEX> and <TEX>$Cu_3Sn$</TEX> phase growths and then IMC phase transition stages with increasing annealing time. By the way, Cu/Sn-3.5Ag(<TEX>$4{\mu}m$</TEX>) microbump without solder spreading, remaining solder was transformed to <TEX>$Cu_6Sn_5$</TEX> right after bonding and had only a phase transition of <TEX>$Cu_6Sn_5$</TEX> to <TEX>$Cu_3Sn$</TEX> during annealing. Measured activation energies for the growth of the <TEX>$Cu_3Sn$</TEX> phase during the annealing were 0.80 and 0.71eV for Cu/Sn-3.5Ag(<TEX>$6{\mu}m$</TEX>) and Cu/Sn-3.5Ag(<TEX>$4{\mu}m$</TEX>), respectively.