Reliability Studies on Cu/SnAg Double-Bump Flip Chip Assemblies for Fine Pitch Applications

미세피치용 Cu/SnAg 더블 범프 플립칩 어셈블리의 신뢰성에 관한 연구

In this study, reliabilities of Cu (60 um)/SnAg (20 um) double-bump flip chip assemblies were investigated for the flip chip interconnections on organic substrates with 100 um pitch. After multiple reflows at $250^{\circ}C\;and\;280^{\circ}C$, bump contact resistances were almost same regardless of number of reflows and reflow temperature. In the high temperature storage test, there was no bump contact resistance change at $125^{\circ}C$ up to 2000 hours. However, bump contact resistances slightly increased at $150^{\circ}C$ due to Kirkendall voids formation. In the electromigration test, Cu/SnAg double-bump flip chip assemblies showed no electromigration until about 600 hours due to reduced local current density. Finally, in the thermal cycling test, thermal cycling failure mainly occurred at Si chip/Cu column interface which was found out the highest stress concentration site in the finite element analysis. As a result, Al pad was displaced out under thermal cycling. This failure mode was caused by normal compressive strain acting Cu column bumps along perpendicular direction of a Si chip.

본 논문에서는 유기 기판 위에 $100{\mu}m$ 피치를 갖는 플립칩 구조인 Cu(60 um)/SnAg(20 um) 더블 범프 플립칩 어셈블리를 구현하여 이의 리플로우, 고온 유지 신뢰성, 열주기 신뢰성, Electromigration 신뢰성을 평가하였다. 먼저, 리플로우의 경우 횟수와 온도에 상관없이 범프 접속 저항의 변화는 거의 나타나지 않음을 알 수 있었다. 125도 고온 유지 시험에서는 2000시간까지 접속 저항 변화가 관찰되지 않았던 반면, 150도에서는 Kirkendall void의 형성으로 인한 접속 저항의 증가가 관찰되었다 또한 Electromigration 시험에서는 600시간까지 불량이 발생하지 않았는데 이는 Al금속 배선에서 유발되는 높은 전류 밀도가 Cu 칼럼의 높은 두께로 인해 솔더 영역에서는 낮아지기 때문으로 해석되었다. 열주기 시험의 경우, 400 cycle 이후부터 접속 저항의 증가가 발견되었으며, 이는 열주기 시험 동안 실리콘 칩과 Cu 칼럼 사이에 작용하는 압축 변형에 의해 그 사이에 있는 Al 및 Ti 층이 바깥쪽으로 밀려나감으로 인해 발생하는 것으로 확인되었다.