에폭시 기반 접합 소재 및 레이저 압착 접합 공정 최적화를 통한 미세 피치 인터커넥션의 신뢰성 향상 연구 = Reliability Enhancement of Fine-Pitch Interconnections by Optimizing Epoxy-Based Bonding Material and Laser Compression Bonding Conditions

국문 초록 (Abstract)

에폭시 기반 접합 소재 및 레이저 압착 접합 공정 최적화를 통한 미세 피치 인터커넥션의 신뢰성 향상 연구 논문제출자 이 가 은 지 도 교 수 이 승 윤 최근 반도체 산업은 고성능 · 고집적화 · 저전력화를 동시에 달성하기 위한 방향으로 급 속히 진화하고 있으며, 이에 따라 반도체 패키지 기술 역시 고도화되고 있다. 특히 고 대역폭 메모리(High Bandwidth Memory, HBM)나 인공지능(AI) 칩과 같은 고성능 반도체는 더욱 높은 I/O 밀도와 빠른 데이터 전송을 요구하고 있으며, 이를 구현하기 위해 인터커넥션 피치는 점점 미세화되는 추세에 있다. 이에 따라 마이크로 범프, TSV(Through Silicon Via), CoW(Chip-on-Wafer) 등 다양한 미세 인터커넥션 기 술이 등장하고 있으나, 실제 패키지 공정에서 미세 피치 구조를 안정적으로 구현하는 것은 여전히 해결이 필요한 기술적 과제로 남아있다. 기존에 널리 사용되고 있는 열 압착 접합(TCB, Thermo-Compression Bonding)은 높은 접합 신뢰성과 보편적인 적용성을 기반으로 오랜 기간 산업계에서 사용되어 왔지만, 고온 유지에 따른 웨이퍼 변형(warpage), 정렬 오차 등 여러 한계를 가지고 있다. 특히 미세 피치 구조에서는 TCB가 가지는 열적 부담과 정렬 한계가 더욱 두드러져 대체 공정에 대한 요구가 증 가하고 있다. 이러한 기술적 요구를 바탕으로, 본 연구에서는 레이저 압착 접합 기술 인 LCB(Laser-Compression Bonding)를 도입하였다. 레이저 압착 접합 기술은 980nm 파장의 적외선(IR) 레이저를 이용하여 접합 영역에 만 국소적으로 열을 전달하는 고정밀 차세대 접합 기술이다. 레이저를 흡수하는 물질 이 발열체 역할을 수행함으로써 열이 수직 방향으로 전달되며, 이 방식은 열 손상을 줄이고 정렬 정밀도를 향상시키는 동시에 에너지 효율 측면에서도 우수한 장점을 가 진다. 본 연구는 이러한 LCB 기술을 기반으로 다양한 피치의 초미세 인터커넥션 구조 를 구현하고, 그 전기적 및 기계적 신뢰성을 평가하였다. 이와 함께, 기존에 널리 사 용되는 솔더 페이스트(solder paste)가 지닌 구조적 한계도 고려하였다. 일반적으로 솔더 페이스트는 산화막 제거를 위한 플럭스(flux)와 점도 조절을 위한 용매(solvent) 를 포함하고 있으며, 온도가 상승하면 용매가 증발하여 중량이 감소하게 된다. 그러나 증발된 용매는 솔더 접합부 내부에 공극(void)을 형성하여 불량률을 증가시키며, 플럭 스 잔여물은 부식을 유발할 수 있어 이를 제거하기 위한 세정 공정(cleaning process)이 필요하다. 이러한 문제는 미세 피치 인터커넥션에서 더욱 심화되어 접합 신뢰성과 공정 효율을 저해하는 주요 원인으로 작용한다. 또한 플럭스와 용매는 리플 로우 과정에서 유해 가스(harmful fumes)를 발생시켜 친환경 제조 공정에 대한 요구 를 충족하지 못한다. 따라서 본 연구에서는 기존 플럭스를 대체할 수 있는 새로운 레 이저 접합 소재로서 에폭시 기반 접합 소재인 레이저 비전도성 페이스트(Laser Non-Conductive Paste, LNCP)를 적용하였다. LNCP는 에폭시 기반의 무플럭스 · 무 용매 수지계 재료로 설계되었으며, 레이저 조사 시 수 밀리초 이내에 빠르게 반응하 여 접합 계면을 형성한 뒤, 후경화 공정을 통해 언더필 역할까지 수행하는 다기능 접 합 소재이다. 플럭스나 용매를 포함하지 않기 때문에 공정 중 공극 생성이 억제되고, 세정 공정이 불필요하며, 잔여물로 인한 부식 문제 또한 방지된다. 이러한 특성으로 인해 구조적 안정성과 고신뢰성을 확보할 수 있다. 특히 본 연구에서는 LNCP의 유리전이온도(Glass Transition Temperature, Tg)가 각각 36.27℃와 51.23℃인 두 종류의 LNCP-(A) 및 LNCP-(B)를 적용하여, 재료의 열 적 물성이 접합 품질에 미치는 영향을 분석하였다. 해당 Tg 값은 시차주사 열량측정 법(Differential Scanning Calorimetry, DSC)을 통해 측정되었다. 이어서, SnAg 솔 더가 적용된 Si 기반 칩과 기판을 대상으로 100μm, 30μm, 20μm 피치의 데이지 체 인 구조를 제작하고 LCB 공정을 통해 접합을 수행하였다. 그중에서도 30μm 피치는 HBM 구조를 모사한 자재를 사용하였다. 우선 최적의 공정 조건을 확립하기 위해 4- 포인트 프로브(4-point probe) 및 데이지 체인(daisy chain)을 이용한 범프 저항 측 정과 단면 분석을 통한 미세구조 평가를 진행하였다. 이후 확립된 조건을 바탕으로 온습 시험(Temperature Humidity Storage Test, THS Test), 온도 사이클 시험 (Thermal Cycle Test, TC Test) 시험, 전단 강도 시험(Shear Strength Test)을 수 행하여 접합부의 전기적 특성 변화와 미세조직 열화 거동을 종합적으로 고찰하였다. 실험 결과, 모든 피치 조건에서 균일하고 안정적인 접합 품질이 달성되었으며, 접합부 의 전기적 · 기계적 신뢰성이 확보됨을 확인하였다. 이는 미세 피치에서도 LCB 공정과 LNCP 적용이 효과적으로 작용함을 보여준다. 또한 온습 시험, 온도 사이클 시험, 전 단 강도 시험을 통해 신뢰성 평가를 수행한 결과, 접합부의 저항 및 미세조직의 변화 가 양호한 수준으로 관찰되었다. 아울러 두 종류의 LNCP-(A)와 LNCP-(B) 모두 우수 한 접합 성능을 보였으며, 특히 유리전이 온도가 더 높은 LNCP-(B)는 전기적 저항 안정성, 구조적 균일성 및 신뢰성 측면에서 상대적으로 향상된 성능을 나타내었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 2.1 반도체 패키지 기술 개요 4
• 2.1.1 반도체 패키지의 정의 4
• 2.1.2 반도체 패키지의 역할 4
• 2.1.3 패키지 기술의 발전 동향 5
• 2.2 반도체 패키지의 종류 6
• 2.2.1 컨벤셔널 패키지 6
• 2.2.2 웨이퍼레벨 패키지 6
• 2.2.3 적층형 패키지 7
• 2.3 반도체 패키지 공정의 종류 9
• 2.3.1 Mass Reflow (MR) 9
• 2.3.2 열 압착 접합 (TCB) 9
• 2.3.3 레이저 압착 접합 (LCB) 10
• 2.3.4 하이브리드 접합 10
• 2.4 솔더 재료와 접합 인터페이스 11
• 2.4.1 유연솔더 11
• 2.4.2 무연솔더 13
• 2.4.3 솔더링 18
• 2.4.4 젖음성 19
• 2.4.5 금속간 화합물 21
• 2.4.6 UBM (Under Bump Metallization) 23
• 2.5 전자 패키징 접착제 26
• 2.5.1 언더필 27
• 2.5.2 비전도성 페이스트 및 비전도성 필름 28
• 2.5.3 이방성 전도성 필름 29
• Ⅲ. 실험 방법 32
• 3.1 실험 자재 개요 32
• 3.1.1 테스트 구조 설계 32
• 3.1.2 레이저 비전도성 페이스트 40
• 3.2 레이저 압착 접합 공정 42
• 3.2.1 레이저 압착 접합 공정의 순서 42
• 3.2.2 LNCP와 LCB를 활용한 공정 프로파일 측정 43
• 3.3 공정 평가 항목 44
• 3.3.1 전기적 특성 측정 44
• 3.3.2 접합부 단면 분석 45
• 3.3.3 신뢰성 시험 분석 46
• 3.3.4 전단 강도 시험 47
• Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 49
• 4.1 레이저 압착 접합 공정 결과 49
• 4.1.1 공정 프로파일 측정 결과 49
• 4.1.2 전기적 특성 측정 결과 55
• 4.1.3 접합부 단면 분석 결과 56
• 4.1.4 신뢰성 시험 분석 결과 59
• 4.1.5 전단 강도 시험 결과 67
• Ⅴ. 결 론 69
• 참 고 문 헌 72
• 영 문 요 약 (ABSTRACT) 75