Effects of glass composition and CMP-induced surface roughness on mechanical behavior of glass interposers for 2.5D/3D HBM packaging

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the combined effects of glass composition and CMP-induced surface roughness on the mechanical behavior of glass interposers for 2.5D/3D HBM packaging. Three glass types—Quartz (QZ), Boro, and EXG—were fabricated under four CMP conditions (A–D), and their surface and mechanical properties were systematically evaluated using XPS, AFM, Nanoindentation, Ball-on-Ring (BOR), and Four-Point Bending (4PB) tests. AFM results showed that surface roughness (Rq) decreased monotonically from A to D (A ≫ B > C > D), with QZ exhibiting the lowest values and EXG the highest at comparable CMP levels. XPS analysis revealed a gradual reduction in Si–O network connectivity from QZ to EXG due to the increasing amount of network modifiers. Nanoindentation results showed that hardness followed the order QZ > Boro > EXG, while reduced modulus followed EXG > QZ > Boro, underscoring the influence of glass chemistry and network rigidity. Rupture strength measurements exhibited composition-dependent trends: EXG showed the highest intrinsic strength in BOR but the lowest in 4PB, attributed to its susceptibility to edge-induced defects during dicing. V-SEM cross-sectional observations confirmed that EXG suffered wider tear-damaged regions than QZ and Boro. These results indicate that intrinsic properties are governed by composition-dependent network rigidity, whereas apparent fracture strength is predominantly affected by surface and edge integrity. The findings provide valuable insights into CMP and dicing process optimization to enhance the mechanical reliability of glass interposers for advanced 2.5D/3D HBM systems.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 2.5D/3D HBM(High Bandwidth Memory) 패키징용 유리 인터포저를 대상으로, 유리 조성과 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정에 의한 표면 거칠기가 기계적 거동 및 파괴 특성에 미치는 영향을 분석하였다. Quartz(QZ), Boro, EXG 세 종류의 유리를 네 단계 CMP 조건(A–D)으로 연마하여 표면 특성과 기계적 물성을 체계적으로 평가하였다. 표면 형상은 AFM과 OP로 정량화하고, 화학 조성 및 네트워크 구조는 XPS로 분석하였다. 또한 나노인덴테이션으로 경도(H)와 환산 탄성계수(Er)를 측정하고, BOR 및 4PB 시험으로 파괴 강도를 평가하였으며, 다이싱 후 단면은 V-SEM으로 관찰하였다.
서로 다른 CMP 조건(A–D)을 적용함에 따라 표면 거칠기(Rq)는 A ≫ B > C > D 순으로 단계적으로 감소하였고, 각 조건 내에서 조성별 거칠기는 QZ < Boro < EXG 순으로 증가하였다. XPS 분석 결과, EXG는 모디파이어 함량 증가로 Si–O 네트워크 연결성이 가장 약했으며, 이에 따라 경도는 QZ > Boro > EXG, 환산 탄성계수는 EXG > QZ > Boro 순으로 나타났다. 파괴 강도는 시험 방식에 따라 상이한 경향을 보였는데, BOR 시험에서는 EXG가 가장 높은 본질 강도를 보였으나, 4PB에서는 엣지 결함 영향으로 가장 낮은 값을 기록하였다. V-SEM 분석에서도 EXG에서 가장 넓은 뜯김 손상이 확인되어 이러한 결과를 뒷받침하였다.
결론적으로 유리 조성은 네트워크 구조 강성을 통해 고유한 기계적 특성을 결정하며, CMP 조건과 절단 손상은 실효 파괴 강도에 직접적인 영향을 미친다. 특히 EXG는 높은 본질 강도를 가지지만 표면 및 엣지 손상에 민감하여 공정 제어가 필수적이다. 본 연구는 2.5D/3D HBM 패키징용 유리 인터포저의 기계적 신뢰성 향상과 공정 조건 최적화를 위한 기초 자료를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Packaging Trends 1
• 1.2 Si / Glass Interposers 3
• 2. Background 5
• 2.1 Importance of Surface Roughness 5
• 2.2 Characterization Techniques 7
• 3. Experimental Procedures 10
• 3.1 Glass Sample Preparation 10
• 4. Results and Discussion 12
• 4.1 XPS: Elemental composition analysis 12
• 4.2 V-SEM: Surface morphology 15
• 4.3 AFM/OP: Surface topography 16
• 4.4 AFM: Surface Roughness 19
• 4.5 Nanoindentation: Mechanical Properties 20
• 4.5.1 Hardness 21
• 4.5.2 Modulus 23
• 4.6 Rupture Strength 25
• 4.6.1 BOR (Ball-on-Ring) 26
• 4.6.2 4PB (4-Point Bending) 28
• 4.6.3 V-SEM: Blade-diced Cross-section 30
• 5. Summary and Conclusion 33
• References 37
• Appendix 41
• A1. Result Data and Confidence Interval 41
• A2. Optical Transmittance Results 42
• A3. XPS Surface Bonding Information 43
• A4. FTIR / Raman Limitations 44
• A5. Fracture Test Loading Configurations 46
• Korean in abstract 47