3차원 적층 패키지를 위한 Cu/Ni/Au/Sn-Ag/Cu 미세 범프 구조의 열처리에 따른 금속간 화합물 성장 거동 분석

Intermetallic Compound Growth Characteristics of Cu/Ni/Au/Sn-Ag/Cu Micro-bump for 3-D IC Packages

3차원 적층 패키지를 위한 Cu/Ni/Au/Sn-Ag/Cu 미세 범프의 열처리에 따른 금속간 화합물 성장 거동을 분석하기 위하여 in-situ SEM에서 135℃, 150℃, 170℃의 온도에서 실시간 열처리 실험을 진행하였다. 실험 결과 금속간 화합물의 성장 거동은 열처리시간이 경과함에 따라 시간의 제곱근에 직선 형태로 증가하였고, 확산에 의한 성장이 지배적인 것을 확인 할 수 있었다. Ni/Au 층의 존재로 인해 Au의 확산으로 복잡한 구조의 금속간 화합물이 생성 된 것을 확인할 수 있다. 활성화 에너지는 Cu₃Sn의 경우 0.69eV, (Cu,Ni,Au)₆Sn₅경우 0.84 eV로 Ni이 포함된 금속간 화합물이 더 높 은 것을 확인 하였으며, 확산 방지층 역할을 하는 Ni층에 의해 금속간 화합물 성장이 억제됨에 따라 신뢰성이 향상 될 것으로 사료된다.

In-situ annealing tests of Cu/Ni/Au/Sn-Ag/Cu micro-bump for 3D IC package were performed in an scanning electron microscope chamber at 135-170℃ in order to investigate the growth kinetics of intermetallic compound (IMC). The IMC growth behaviors of both Cu₃Sn and (Cu,Ni,Au)6Sn₅ follow linear relationship with the square root of the annealing time, which could be understood by the dominant diffusion mechanism. Two IMC phases with slightly different compositions, that is, (Cu,Aua)₆Sn₅ and (Cu,Aub)₆Sn₅ formed at Cu/solder interface after bonding and grew with increased annealing time. By the way, Cu₃Sn and (Cu,Ni,Au)₆Sn₅ phases formed at the interfaces between Cu/(Cu,Au)₆Sn₅ and Ni/Sn, respectively, and both grew with increased annealing time. The activation energies for Cu3Sn and (Cu,Ni,Au)6Sn5 IMC growths during annealing were 0.69 and 0.84 eV, respectively, where Ni layer seems to serve as diffusion barrier for extensive Cu-Sn IMC formation which is expected to contribute to the improvement of electrical reliability of micro-bump.