[논문 리뷰] Diffusion-controlled growth of phases in metal-tin systems related to microelectronics packaging

Varun A. Baheti|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 25.

Electronic Packaging and Soldering Technologies참고 문헌 53인용 수 7

한 줄 요약

이 박사학위논문은 마이크로일렉트로닉스 패키징에서 Cu, Ni, Au, Pd, Pt/Sn 인터페이스에서의 상호금속화합물(IMC)의 확산 제어 성장 및 킴켄달 빈약 형성에 대해 연구한다. 실험적 및 모델링적 접근법을 통해, IMC 성장이 파라볼릭 성장 법칙에 의해 지배되는 확산 제어 메커니즘을 따르며, 기초 금속에 따라 성장 속도와 빈약 형성 경향이 다름을 입증한다. 이는 플립초 핫스디어 조인트의 신뢰성에 있어 핵심 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

The electro–mechanical connection between under bump metallization (UBM) and solder in flip–chip bonding is achieved by the formation of brittle intermetallic compounds (IMCs) during the soldering process. These IMCs continue to grow in the solid–state during storage at room temperature and service at an elevated temperature leading to degradation of the contacts. In this thesis, the diffusion–controlled growth mechanism of the phases and the formation of the Kirkendall voids at the interface of UBM (Cu, Ni, Au, Pd, Pt) and Sn (bulk/electroplated) are studied extensively.

연구 동기 및 목표

• 언더 번드 메탈루르레이션(UBM) 및 Sn 인터페이스에서 상호금속화합물(IMC)의 확산 제어 성장 메커니즘을 이해하기 위해.
• Cu, Ni, Au, Pd, Pt/Sn 시스템에서 IMC 성장 동역학 및 킴켄달 빈약 형성에 영향을 주는 요인을 규명하기 위해.
• 고체 상태 노령화 및 사용 조건에서의 IMC 성장 속도를 정량화하고, solders joint 신뢰성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 전자 패키징에서 플립초 인터커넥트의 장기 신뢰성 예측을 위한 기계적 기반을 제공하기 위해.

제안 방법

• Cu, Ni, Au, Pd, Pt UBM/Sn 시스템에서의 IMC 성장에 대한 실험적 특성 분석을 위해 횡단면 현미경 및 전자 반사도 회절(EBSD)을 활용.
• 시간과 온도에 따른 IMC 두께 측정을 통해 성장 동역학 규명.
• 확산 제어 성장 모델링을 위해 파라볼릭 성장 법칙(x² = k·t) 적용, 여기서 x는 두께, k는 속도 상수.
• 고해상도 영상 분석 및 확산 플럭스 불균형과의 상관관계를 통해 인터페이스에서의 킴켄달 빈약 형성 분석.
• 열역학적 및 동역학적 모델링을 통해 다양한 UBM 재료 간 성장 거동의 차이를 설명.
• 트레이서 확산 계수 및 다성분 체계에서의 상호확산 기반 이론적 예측과 실험 결과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 UBM/Sn 시스템에서 상호금속화합물의 주요 성장 메커니즘은 확산 제어인지 반응 제어인지 무엇인가?
• RQ2 Sn 기반 solders 조인트에서 다양한 UBM 재료(Cu, Ni, Au, Pd, Pt)에 따라 IMC 성장 속도는 어떻게 달라지는가?
• RQ3 고체 상태 노령화 중 킴켄달 빈약 형성 정도는 어떠한가, 그리고 UBM 재료와 온도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 Sn과 UBM 금속 원소의 트레이서 확산 계수는 관측된 IMC 성장 속도와 어떻게 관련되는가?
• RQ5 등온 노령화 조건에서 파라볼릭 성장 법칙이 이 시스템에서의 IMC 두께 변화를 정확하게 기술할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 UBM/Sn 시스템에서 IMC 성장은 확산 제어 메커니즘을 따르며, 두께가 시간의 제곱근에 비례하여 증가함을 확인하여 파라볼릭 성장 법칙을 검증.
• IMC 성장 속도 상수(k)는 UBM 재료에 따라 크게 다름. Cu/Sn에서 가장 높은 성장 속도를 보이며, 그 다음으로 Ni/Sn, Pd/Sn 및 Pt/Sn에서 가장 낮은 성장 속도를 나타냄.
• 높은 플럭스 불균형이 발생하는 인터페이스에서 킴켄달 빈약이 선호적으로 형성되며, 특히 Cu/Sn 및 Ni/Sn 시스템에서 두드러지며, 핵형성은 온도에 강하게 의존함.
• 빈약 형성은 Sn과 UBM 금속 간 고유 확산 계수의 차이와 관련이 있으며, 차이가 클수록 더 두드러진 빈약 형성이 관찰됨.
• Au/Sn 및 Pd/Sn 시스템는 상호확산 플럭스가 낮고 인터페이스 상이 더 안정하므로 빈약 형성이 최소화됨.
• 다양한 온도에서 시간에 따른 IMC 두께 변화에 대한 정량적 데이터를 제공하여, 솔더 조인트 신뢰성 예측 모델링을 가능하게 함.