Temperature Measurement and Contact Resistance of Au Stud Bump Bonding and Ag Paste Bonding with Thermal Heater Device

(1)

Au 스터드 범프 본딩과 Ag 페이스트 본딩으로 연결된 소자의 온도 측정 및 접촉 저항에 관한 연구

김득한¹·유세훈²·이창우²·이택영^1,

^†

1한밭대학교재료공학전공

,

²한국생산기술연구원마이크로조이닝센터

Temperature Measurement and Contact Resistance of Au Stud Bump Bonding and Ag Paste Bonding with Thermal Heater Device

Deuk-Han Kim¹, Sehoon Yoo², Chang-Woo Lee² and Taek-Yeong Lee^1,†

Dept. of Materials Engineering, Hanbat National University

1

San 16-1 Dukmyung-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-719, Korea

2

Korea Institute of Industrial Tehcnology, Micro-Joining Center, Songdo-dong, Yeonsu-gu, Incheon 406-840, Korea (2009

년

8

월

12

일접수

: 2010

년

6

월

16

일게재확정

)

초 록: 탄탈륨실리사이드히터가내장된소자를

Ag

페이스트와

Au SBB(Stud Bump Bonding)

를이용하여

Au

가코 팅된기판에각각접합하였다

.

전단테스트와전류를흐르면서열성능을측정하였다

. Au

스터드범프본딩의최적플 립칩접합조건은전단후파괴면관찰하여설정하였으며

,

기판온도를

350 ^o C,

소자온도를

250 ^o C

에서하중을

300 g/bump

로하여접합하는경우가최적조건이였다

.

히터에

5 W

인가시소자의온도는

Ag

페이스트를이용한접합의경우최대 온도는약

50 ^o C

이었으며

, Au

금속층을갖고있는실리콘기판에

Au

스터드본딩으로접합된인경우약

64 ^o C

를나타내 었다

.

기판과의접촉면적이와이어본딩과

Au

스터드범프본딩가약

300

배가차이가나는경우약

14 ^o C

차이를나타내 었고

,

전사모사를통하여접합면의접촉저항이중요한이유임을알수있었다

.

Abstract:

The device with tantalum silicide heater were bonded by Ag paste and Au SBB(Stud Bump Bonding) onto the Au coated substrate. The shear test after Au ABB and the thermal performance under current stressing were measured.

The optimum condition of Au SBB was determined by fractured surface after die shear test and 350 ô C for substrate, 250 ô C for die during flip chip bonding with bonding load of about 300 g/bump. With applying 5 W through heater on the device, the maximum temperature with Ag paste bonding was about 50 ô C. That with Au SBB on Au coated Si substrate showed 64 ô C. The difference of maximum temperatures is only 14 ô C, even though the difference of contact area between Ag paste bonding and Au SBB is by about 300 times and the simulation showed that the contact resistance might be one of the reasons.

Keywords:

Flip chip, Au stud bump, contact resistance, SBB, Ag paste

1. 서 론

패키징에서사용되고있는접속배선은와이어본딩이 주류를이루고있다

.

^전자^부품^및^시스템에^사용되고^있

는소자의속도증가

,

^경량화

,

^소형화

,

^저전력화^추세에^따

라서플립칩의응용분야가광범위하게사용되고있다

. ¹⁾

플립칩으로사용되고있는가장일반적인금속접속배선 의형태는솔더

^2)-4) ,

^{전도성접착제}

^{5), 6)} , Au

^스터드^범프

^{7)- 9)} ,

그리고전해도금에의한스터드가가장널리사용되고있 다

.

^여기에^더해^폴리머와^금속^분말을^기본으로^만들어

지는도전성폴리머가사용되고있다

.

^플립칩의^솔더는

95 wt% Pb

^이상^포함는^고융점

(T m >250 ^o C)

^솔더와

200

^에

서

250 ^o C

^정도의^솔더^그리고

200 ^o C

^이하의^저융점을^갖

는솔더가있다

.

솔더플립칩의가장큰특징은접합공정에서솔더가 용융상태로 금속층인

UBM(Under Bump Metallurgy)

^과

반응하여형성된금속간화합물에의해서접합을이루는

것이다

.

^이를^리플로우

(Reflow)

^{공정이라고}^한다

.

^이에^비

해서스터드 범프본딩

(Stud Bump Bonding, SBB)

^은^접

합공정에서용융이필요치않고고온에서하중과초음 파를이용하여고체확산을통한접합이이루어진다

.

^일

반적으로솔더를구성하고있는금속인

Sn, Ni, Cu

^등이

산화가매우잘되기때문에플럭스

(Flux)

^를^이용하여^금

속의산화막을제거하고순수한금속간의화학반응에의

†

Corresponding author

E-mail: [email protected]

(2)

해서접합을이룬다

.

^이때^적절한^플럭스의^선택이^접합

상태를결정짓는중요한역할을하게된다

.

^그러나

MEMS

(Microelectromechanical System)

^나^광전^소자의^경우에는

플럭스를사용하지못하는경우가많다

. ¹⁰⁾ MEMS

^의^경

우

,

^구동^부분이^있게^되면^잔류^플럭스가^움직이는^부분

의운동을방해하여플럭스에서나오는기체가시스템을 산화시켜시스템의오작동을유발할수있다

.

또한잔류플럭스의탈가스가시스템의산화또는가스 농도의변화를유발시켜올바른작동을방해한다

.

^광전

소자의경우발광부와수광부의표면상태가전체시스템 의효율과동작을결정짓는다

.

^따라서^잔류^플럭스에^의

한표면의오염은소자의동작을현저히떨어뜨린다

.

스터드범프는도금과와이어스터드로만들수있다

.

도금의경우전해도금과무전해도금으로만들수있고

Au, Ni, Cu, Au-Sn, Ni-Au, Ni-Cu

^등의 ^{접속재료를}^사용

할수있다

. ¹¹⁾

^도금의^경우에는^주로

TAB(Tape Automated

Bonding)

^에^많이^사용되고^있다

.

^도금의^경우에는^일정

크기이상의웨이퍼에전기가통하는배선을만든후에 가능하다

.

^따라서^소자가^아주^작은^소자의^{개별제작에}

는사용이매우어렵다

.

^또한^이미^{제작되어진}^소자에^범

프를형성하는공정은와이어스터드에비해용이하지않 다

.

^와이어^스터드^범프는^소자의^크기에^크게^상관이^없

고

,

^와이어^본딩이^가능한^모든^소자에^스터드를^형성^할

수있기때문에웨이퍼크기가아닌극히작은소자에서 도범프형성이가능하고

,

^그^방법은^와이어^본딩과^거의

동일하다

.

^비록^스터드^범프를^이용한^플립칩의^제조^공

정이솔더를이용한공정에비해작은소자에서유리하 지만본딩시고체확산에의한본딩이므로소자의신뢰 성과접촉저항이큰단점을갖고있다

.

^접촉^저항은^전

기적성능과열성능을떨어뜨리게된다

.

본실험에서는히터를포함한소자를이용하여

Ag

^페

이스트로접속된와이어본딩된소자의온도와

Au SBB

^를

이용한플립칩소자의열성능을비교하고

,

^기판에^따른

접촉저항을전사모사를통하여체계적으로관찰하였다

.

2. 실 험

2.1. 소자와 열원

소자의크기는

6.5 mm

^×

3.5 mm

^의^크기를^갖고

,

^전면적

에걸쳐서열원이존재한다

.

^열원은^탄탈륨^{실리사이드}

를이용하여제작하였고

,

^데이지^체인을^형성하기^위해

알루미늄

(Al)

^을^{이용하였다}

.

^시편에는

66

^개의^알루미늄

패드가존재하고있다

.

^이^중

64

^개의

Al

^패드를^이용하여

Au

^스터드를^와이어^본딩^장치로^{제작하였다}

.

^알루미늄

패드중상단에존재하는두개의긴패드는실리사이드 와연결된패드로전원을연결하는데사용된다

.

^이를^통

해공급되는전류가실리사이드를가열하여시편의온도 를제어한다

.

2.2. 온도 측정을 위한 시편의 제작

a. Ag

^{페이스트로}^접합된^와이어^본딩^시편

와이어본딩은

150 ^o C

^의^온도에서

K&S

^사의^와이어^본

딩을이용하여제작하였다

. Au

^와이어는

1 mil.

^두께를^갖

고있다

.

^와이어^본딩으로^제작된^시편의^{완성모양은}

Fig.

1(a)

^에^{나타내었다}

.

^기판으로^사용된^것은^전면이

Au

^후

막의두개의알루미나기판을사용하였다

. Alumina I

^으

Fig. 1.

Specimen for temperature measurement of (a) wire bonding, (b) schematic diagram of cross-sectioned (a), (c) Au SBB and (d) schematic diagram of cross-sectioned (c)

Table 1.

Size, thermal conductivity of materials and metallization for specimen

Size ¹⁾ (mm) k ²⁾ (W/m-K) Metallization Function

Si 6.5

×

3.5

×

0.53 150 a. Al for daisy chain

b. Ta-silicide for heater Device

Alumina I 6.0

×

6.0

×

0.25 20 Au thick film ³⁾ Substrate for electrode

Si 6.0

×

6.0

×

0.53 150 a. Au thin film ⁴⁾

b. Al thin film Substrate for electrode

Alumina II 15.0

×

10.0

×

0.7 20 Au thick film Substrate supporter

Ag adhesive - 3.2 Ag flake Adhesive

SUS 304 30.0

×

30.0

×

7.0 21.4 Stainless Heat spreader

1) size = width mm

×

length mm

×

thickness mm 2) k = thermal conductivity (W/m-K)

3) Au thick film on LTCC of about 5

µ

m thickness

4) Sputtered Au thin film of 0.5

µ

m thickness

(3)

로표시되어있는기판은각각전원에연결되어열원에 전류를공급하는전극으로사용되었고

,

^이를^위해^두^개

의기판은전기적으로절연상태이다

.

^사용된^기판의^크

기는

6 mm

^×

6 mm

^의^크기이고

,

^두께는

0.25 mm

^이다

.

두개의절연기판을기계적인지지를위하여

,

^하단부에

는

15 mm

^×

10 mm

^의^크기와^두께가

0.7 mm

^인^알루미나^기

판을사용하였다

.

^이^기판을

Fig. 1(b)

^에서

Alumina II

^로^명

시하였다

.

^두^개의

Alumina I

^과^하부의

Alumina II

^는^실버

접착체

(Ag Adhesive)

^를^사용하여^{접착하였다}

.

^이렇게^만

들어진시편을열처리를통해서실버접착제를고화시켰 다

.

^고화^시킨^후^다시^{스테인레스}^기판의^방열판에

Ag

^접

착제를이용하여접착시켰다

.

^방열판은^팬을^이용하여^일

정한온도를유지시켰다

.

^시편에^사용된^실리콘

,

^알루미나

와실버접착제의물리적인특징은

Table 1

.

b. Au

^스터드^범프^본딩

Au

^스터드는^와이어^본딩^제작시^사용된^와이어^본딩

장비를이용하여제작하였다

.

^제작된^테스트^시편은

Fig.

1(c)

^에^{나타내었고}

,

^측정시^개략적인^시편의^구조는

Fig.

1(d)

.

^실리콘^소자에^형성된^알루미늄^패드

위에

62

^개의

Au

^스터드를^{형성하였다}

.

^스터드^본딩의^접

합에사용된장비는플립칩본더를사용하였다

.

^공정^중

시편에만들어진

Au

^스터드의^확대된^사진은

Fig. 2

^에^나

타내었다

. Fig. 2(a)

^는^{와이어본딩}^장치로^형성된

Au

^스터

드이고

, Fig. 2(b)

^는^높이의^균일도를^조절한^후의

Au

^스

터드이다

.

^각^범프당^약

30 g

^의^하중을^가하였다

. Fig. 2(c)

는소자위에

Au

^스터드를^모두^형성한^후의^사진이다

.

^히

터는탄탈륨실리사이드를이용하여제작하였다

.

이시편을하중과온도를달리하여알루미나기판에압 착방식을이용하여플립칩접합을 형성하였다

.

^플립칩

본더의장비의하부홀더에알루미나기판을장착하고

,

헤드부분에장치되어있는진공홀더를사용하여

Au

^스

터드를만들어놓은실리콘소자를정렬한후

,

^압착하여

Au

^스터드^범프^본딩을^{완성하였다}

.

^하중은^상부^홀더에

의해서변화가가능하였고

,

^온도는^상부^홀더와^하부^홀

더가각각독립적으로조절이가능한구조로되어있다

.

Au

^스터드^본딩시^조건은^기판의^온도를

350 ^o C

^로^고정하

였고

,

^소자의^온도는^{실온에서부터}

250 ^o C

^까지^가변하여

최적의공정조건을확립하였다

.

^최적의^공정^조건을^찾

기위해서볼전단테스터를사용하여

,

^파단면이

Au

^스터

드내에존재하는조건을사용하였다

.

와이어본딩시편의경우와동일한조건에서실험하였 고

,

^기판의 ^재료가 ^미치는 ^영향을 ^관찰하기 ^위해서

,

Alumina I

^기판과^실리콘^기판을^비교하여^{분석하였다}

.

^특

히실리콘기판의금속박막은

Table 1

^에^표시한^바와^같

이진공증착한

Al

^과

Au

^{금속박막을}^{사용하였다}

.

^이는

Au

스터드범프본딩에서발생하는접촉저항을측정하기위 한시편이다

.

2.3. 온도 측정

온도측정은적외선온도측정장치를사용하였다

.

^시편

의특성상와이어본딩의경우

,

^열원이^있는^부분을^측정

하였고

Au

^스터드^본딩의^경우

,

^시편의^뒷면을^측정하였

다

.

^시편의^앞^뒤면에서^발생할^수^있는^방사율

(Emissivity)

의차이를제거하기위해서

,

^온도^측정면에

0.95

^의^방사율

을갖는페인트를칠하였다

.

^여기에^더해

,

^적외선^온도^측

정장치는열전대를이용하여보정을하였다

. 3. 결과 및 고찰

3.1. Au 스터드 범프 본딩

a.

^범프^형성

Au

^스터드^범프는

Fig. 2

. Fig. 3

^은

Au

^스

터드의크기를측정한결과이다

. Fig. 2(a)

^와^같이^와이어

본딩후

Au

^스터드는^테일이^존재하게^된다

.

^이^부분은^불

균일한높이를갖고있으며

,

^스터드^본딩시^시편의^높이

불균일을유발하게되며

,

^코이닝^공정에^의해서^높이^균

일도를유지하게된다

.

^이^테일^부분을^제거한

Au

^스터드

의높이는

55.4

^µ

m

^이다

.

^코이닝^후

Au

^스터드의^높이는^압

착된테일부분을포함하여

,

^약

62

^µ

m

^의^높이가^되고

,

^표

준편차는약

8

^µ

m

^이다

.

^코이닝^공정^후^높이가^증가하는

이유는테일부분이포함되었기때문이다

. Au

^스터드의

하단부 넓이는 와이어 본딩 기계에 의해서 결정되며

, 104

^µ

m

^이고

,

^중간^부분의^직경은^약

45.8

^µ

m

^이다

.

^스터드

에사용된

Au

^와이어의^직경이^약

25

^µ

m

^정도의^크기였음

에도불구하고두께가두꺼워진것은스터드형성에사 Fig. 2.

Optical micrographs of Au stud bump (a) just after

formation (b) after coining and (c) device with Au stud

bumps and heater.

(4)

용된캐필러리의내경이와이어의직경에의해직경이결 정되기때문이다

.

^코이닝^후^직경은^거의^변화가^없다

.

b.

^플립칩^본딩^형성

Au

^스터드의^본딩은^플립칩^본더

(Bonder)

^를^이용하여

제작하였다

.

^제작^후

Au

^스터드^범프^본딩의^조건을^확립

하기위해서본딩후소자를전단테스트하여

Au

^스터드

의파괴모양을관찰하여결정하였다

. Fig. 4

^는^접합한^후

소자를랩쉬어테스트

(Lap Shear Test)

^후에^파단면을^관

찰한사진이다

.

^테스트시^팁의^높이는

50

^µ

m

^로^하였다

. Fig. 4(a)

^는^기판^온도를

350 ^o C,

^소자^온도를

150 ^o C

^그리고

가한하중을범프당

300 g

^을^가한^후^전단^테스트^후의

파단면이다

.

^스터드와^기판의^계면이^아닌

Au

^스터드^내

부로연성파괴가일어났다

.

^잔류

Au

^는^소자^쪽에^많은^양

이남아있으며

,

^기판^쪽에는^더^적은^량이^남아^있다

.

^이

는

Au

^스터드를^소자쪽에^형성^하여^본딩을^이루었기^때

문이다

.

^와이어^본딩^기계로^스터드를^형성하는^경우

,

^고

온과더불어초음파를동시에가해주어서

,

^플립칩^본딩에

의한접합력보다현저히좋은접합을갖기때문이다

.

Fig. 4 (b)

^와

(c)

^는

Au

^스터드와^기판^사이의^접합이^충

분하지않아서

Au

^스터드와^기판의^계면을^따라^파괴가

일어났음을보여주고있다

. Table 2

^는^{전단테스트}^후^결과

를나타낸것이다

.

^회색으로^나타낸^영역이

Au

^스터드^내

부에서파괴가일어난조건이다

.

^이^{결과로부터}

,

^가장^높

은전단응력을나타내고있는조건인

Fig. 4(a)

^의^조건을

사용하여스터드접합을하였다

.

3.2. Ag 페이스트를 이용한 본딩과 Au 스터드 본딩 후 소 자의 온도 측정

Fig. 1

^에^나타낸^것과^같이^소자를^제작하여^{실시간으로}

온도를측정하였다

.

^소자에

5 Watts

^의^전력을^가한^경우^측

정결과는

Fig. 5

.

^방열판의^위치별^온도^차

이는약

1~2 ^o C

^정도의^차이를^보였다

.

^이는^방열판^내에

서는온도가거의일정한것을알수있다

. Fig. 5(a)

^와

(b)

에서초기온도가높은영역과약

3000

^초^후에^온도가^급

격히떨어지는구간이존재한다

.

^초기에는^방열판에^팬을

이용한공기의유입없이측정한온도이다

.

^즉

,

^방열판의

열방출은오로지대기에존재하는실내공기에의해서 이루어진것이다

.

^온도가^최대^온도에^도달하여^일정한^온

도를갖게된후

,

^팬에^의한^공기를^방열판의^핀

(Fin)

^에^불

어주어서방열을돕도록하였다

.

초기

Au

^스터드^소자의^경우

,

^팬^작동^전의^소자의^최

대온도는

140 ^o C

^이고

,

^방열판의^온도는^약

59~60 ^o C

^를^나

타내었다

.

^팬의^작동시^소자의^온도는^약

41 ^o C,

^방열판의

온도는약

36~37 ^o C

^정도의^온도^하강을^보였다

.

^즉^팬의

강제대류에의해소자와방열판의온도는약

40 ^o C

^정도

의온도하강이발생함을알수있다

.

^열원에^가한^전력

과팬작동시최대온도사이의상관관계는

Fig. 5 (c)

^에

나타내었다

.

^전력이^{증가할수록}^소자의^온도는^증가하였

다

.

^와이어^본딩의^경우에도^가한^전력의^증가에^따라서

온도가증가함을알수있다

.

두소자의온도는현격한차이를나타내고있음을알 Fig. 3.

Measurement of diameter and height of Au stud bump

before and after coining and after bonding.

Fig. 4.

Optical micrographs of failed interface after lap shear test of flip chip bonded device at fixed substrate temperature, 350 ô C, various die temperatures with various applied load (a) 150 ô C and 300 g/bump (b) 150 ô C and 200 g/bump, and (c) room temperature and 200 g/bump.

Table 2.

Failure load per bump by lap shear test with various bonding condition, fixed with substrate temperature of 350 ^o C unit : (g/bump)

Die Temperature ( ^o C) Applied load (g/bump)

100 200 300

Room Temp. 39 45

150 63 128

250 75 94

(5)

수있다

.

^열^전도^이외의^기구에^의해서^열^손실이^매우

적은경우

,

^열^유속^{식으로부터}

Au

^스터드와

Ag

^에폭시

양끝단의온도차이를계산할수있다

.

^열^유속의^식은

(1)

이고

, 1

^차원^열^유속의^경우에는

(2)

로나타낼수있다

.

^여기에서

q

^는^열^유속

, T

^는^온도^그리

고

x

^는^거리이다

.

^소자에^가한^전력

(Q)

^와^기판과^접촉^면

적

(A)

^인^경우에는

(3)

로표시할수있다

. Au

^와

Ag

^에폭시의^전기^전도도^및^소

자의크기는

Table 1

^에^{정리하였다}

. Fig. 3(b)

^로부터

Au

^스

터드와기판의접촉면적은약

0.17 mm ²

^이고

, Au

^스터드

의높이는약

40

^µ

m

^이다

. Ag

^에폭시의^경우

,

^소자의^전면

적에접촉되어있으므로기판과접촉면적은

22.75 mm ²

^이

다

. 5 W

^의^전력이^가해진^경우

, Au

^스터드^양단의^온도

차이는이론적으로약

3.4 ^o C

^이고

Ag

^에폭시의^온도차이

는약

4 ^o C

^의^{온도차이를}^보여야^한다

.

^이로부터

5 W

^를^소

자에가하는경우

Au

^스터드^본딩과^와이어^본딩의^소자

온도차이는거의나타나지않아야한다

.

^그러나

Fig. 5(c)

에측정된와이어본딩과

Au

^스터드^본딩으로^연결된^소

자의온도차이는약

50 ^o C

^차이를^나타내고^있다

.

3.3. 전사 모사를 이용한 접촉저항의 추정

앞절에언급한온도차이발생원인을추정하기위하 여전사모사를이용하여소자와기판그리고

Au

^스터드

사이에각각동일한접촉저항을삽입하여전체온도를추 정하였다

.

^{전사모사에}^사용된^{소프트웨어는}^앤시스^사의

워크벤치를이용한삼차원시뮬레이션으로전사모사하

였으며

, Table 1

^에^나타낸^재료의^물성을^{이용하였다}

.

^경

계조건은방열판을

25 ^o C

^로^하였고^공기의^대류에^의한

열손실은열전도에의한열손실에비해매우작다고 가정하여전사모사를시행하였다

.

일반적인 금속과 금속 사이의 접촉 저항은 대략

100~45,000 W/m ² ·K ¹²⁾

^의^범위^내에서^{변화시키면서}^최

대온도와비교하였다

.

^전사^모사의^결과는

Fig. 6

^에^나타

내었다

. Ag

^에폭시를^사용한^와이어^본딩과^동일한^구조

의경우에는접촉저항을

0 ^o C/W

^로^전사^모사한^것은^실

측 접촉 저항의 부재로 가정한 값이다

. Alumina I

^과

Alumina II

^사이에^사용된

Ag

^에폭시의^경우에도^접촉저

항을

0 ^o C/W

^으로^{가정하였다}

.

^이의^가정^근거는

Ag

^에폭

시가

Ag

^분말과^에폭시의^혼합체로^존재하며

,

^액상^에폭

시와소자또는알루미나와접촉저항이

Au

^스터드의^고

체간확산에의한접촉저항에비해현저히낮다고추정 할수있기때문이다

.

^동일한

Au

^스터드의^경우에서

,

^재

료에대해서접촉저항을달리한결과소자의최대온도 의차이는약

40 ^o C

^이상이^발생하고^있음을^알^수^있다

.

솔더범프의경우

, UBM

^과^화학적^반응을^통한^원자적^결

합이발생하기때문에접촉저항이기계적접촉인

Au

^스

q = – k T ∇

q k∂T

--- ∂x –

=

Q A

---- k∂T

--- ∂x –

=

Fig. 5.

Temperature measurement of device (a) with 5 W in Au

stud bump bonding (b) with 5 W in wire bonding and (c)

as a function of applied power.

(6)

터드에비해서현저히작을것으로사료되고

,

^이에^따라

접촉저항을

Ag

^에폭시와^동일한^값을^갖는^다고^가정하

면소자의최대온도와거의유사한값을갖고있음을알 수있다

.

^이러한^전사 ^모사의^결과로^발열이^큰^소자를

Au

^스터드^본딩으로^접속하는^경우에는^{접촉저항을}^고

려하여접합을하지않는경우

,

^소자의^성능을^정확히^평

가하기가어렵게된다

.

3.4. 기판의 종류에 따른 온도 측정

Fig. 7

^은^기판의^종류와^코팅된^금속의^종류에^따른^최

대온도를도시한것이다

.

^와이어^본딩의^경우^소자는

Ag

페이스트로

Au

^코팅된^알루미나^기판에^{접착되어있는}^소

자이다

.

^이는^앞^절의^와이어^본딩과^동일한^시편이다

. Fig. 1

^에^나타낸

Alumina I

^을

Al

^과

Au

^가^각각^코팅된

Si

로대치하였을때

5 W

^의^전력을^가하였을^때^각각

77 ^o C

와

64 ^o C

^를 ^{나타내었다}

.

^이는

Fig. 6(c)

^의^{전사모사에서}

Alumina I

^과

Si

^의^전도도에^의한^전도도가^매우^작으므로

Au

^가^코팅된

Si

^과^유사한^{최대온도를}^나타내고^있다

. Al

과

Au

^에^의한^차이는

Al

^의^경우^본딩^중^산화^등으로^인

하여접촉저항이

Au

^에^비해^높을^것으로^추정된다

.

4. 결 론

소자에사용되는

Au

^스터드^본딩의^조건을^확립하여

소자를

Au

^금속이^있는^알루미나^기판과^{연결하였다}

.

^기

판에연결시기판의온도를

300 ^o C,

^소자의^온도를

150 ^o C,

그리고하중을

300 g/bump

^로^하였을^때

Au

^스터드의^전

단파괴응력은

128 g

^으로^가장^큰^값을^{나타내었으며}

,

^파

괴단면은부분적으로

Au

^스터드^내부로^파괴되는^것을

보였다

.

전소자범위내에열원이균일하게분포하고있는소 자를

Au

^스터드^범프^본딩과^와이어^본딩으로^기판과^연

결하여가한전력량에따른소자의온도변화는

Alumina

기판에서는

Ag

^{페이스트로}^접합한^와이어^본딩으로^결

합된경우에서

50 ^o C

^를^{나타내었고}

, Au SBB

^로^접합된^소

자에서는약

99 ^o C

^를^{나타내었다}

.

^이는^기판과^소자의^접

합저항에기인한것으로사료된다

.

^이를^{전사모사에서}^개

략적으로확인하였으며

,

^기판의^종류를^변화시켜^접촉저

항을변화시키는경우

Au SBB

^로^접합된^소자의^온도는

64 ^o C

^정도를^나타내며

Ag

^{페이스트와}^유사한^열^성능을^나

타내고있음을알수있었다

.

^그러므로

Au SBB

^본딩에서

Fig. 6.

Temperature simulation of device with various interconnections and contact resistance; (a) Ag epoxy and 0 ô C/W (T max ~ 52 ô C) (b) Au stud bonding and 1100 ô C/W (T max ~ 105 ô C) (c) Au stud bonding and 400 ô C/W (T max ~ 62 ô C) and (d) solder bump and 0 ô C/W (T max ~ 52 ô C).

Fig. 7.

Temperature measurement of device with various metallization

and substrate.

(7)

접촉저항성분이전체소자의열성능을좌우하는중요 한인자임을알수있었다

.

감사의 글

본논문은지식경제부제조기반전략기술개발사업으로 지원된연구결과입니다

.

참고문헌

1. R. Tummala, Fundamental Microsystem Packaging, pp.361- 392, McGraw-Hill, New York (2001).

2. K. N. Tu and K. Zeng, “Reliability Issues of Pb-free Solder Joints in Electronic Packaging Technology”, Proc. 52nd Elec- tronic Components and Technology Conference (ECTC), San Diego, 1194, IEEE Components, Packaging and Manufactur- ing Technology Society (CPMT) (2002).

3. M. Kim, M. Kim, K. Shin and J. Jung, “Lead-free Solders on the Electronics”, J. Microelectron. Packag. Soc., 7(4), 49 (2000).

4. H. Son, I. kim, S. Lee, G. Jung, B. Park and K. Paik, “Reli- ability Studies on Cu/SnAg Double-Bump Flip Chip Assem- blies for Fine Pitch Applications”, J. Microelectron. Packag.

Soc., 15(2), 37 (2008).

5. D. Lu and C. P. Wong, “Electrically Conductive Adhesives- A Lead-free Alternative”, in Handbook of Lead-Free Solder Technology for Microelectronic Assemblies, K. J. Puttlitz and

K. A. Stalter, Eds., pp.729-768, Marcel Dekker, New York (2004).

6. Y. C. Lin and J. Zhong, “A Review of the Influencing Factors on Anisotropic Conductive Adhesives Joining Technology in Electrical Applications”, J. Mater. Sci., 43(9), 3072 (2008).

7. N. Tsukahara, K. Higashi and K. Kumagai, “Development of 2 Stage Bump Forming Method Using Wire Bonding Technique”, Proc. 1995 Japan International Electronic Manufacturing Tech- nology Symposium, Omiya, 291, IEEE Components, Packaging and Manufacturing Technology Society (CPMT) (1995).

8. H. Maruo, Y. Seki and Y. Unami, “Development of Ultrasonic Flip Chip Bonding for Flexible Printed Circuit”, Proc. the 6th IEEE CPMT Conference on HDP'04, Shanghai, 307, IEEE Components, Packaging and Manufacturing Technology Soci- ety (CPMT) (2004).

9. W. Reinert and T. Harder, “Performance of the Stud Bump Bonding(SBB) Process in Comparison to Solder Flip Chip Technology”, Proc. of the 52nd Electronic Components and Technology Conference, San Diego, 1194, IEEE Compo- nents, Packaging and Manufacturing Technology Society (CPMT) (2002).

10. A. Fasoro

et al

., “Fluxless Optical Fiber Attachment for Her- metic MOEMS Applications”, The 10th Intersociety on ITH- ERM'06, Orlando, 1365, IEEE Components, Packaging and Manufacturing Technology Society (CPMT) (2006).

11. J. H. Lau, Low Cost Flip Chip Technologies, pp.157-182, McGraw-Hill, New York (2000).

12. J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Text-

book, pp.66, Phlogiston Press, Cambridge (2008).

Temperature Measurement and Contact Resistance of Au Stud Bump Bonding and Ag Paste Bonding with Thermal Heater Device

†

,