구리 TSV의 열기계적 신뢰성해석

좌성훈,송차규,Choa, Sung-Hoon,Song, Cha-Gyu 대한용접접합학회 2011 대한용접·접합학회지 Vol.29 No.1

TSV technology raises several reliability concerns particularly caused by thermally induced stress. In traditional package, the thermo-mechanical failure mostly occurs as a result of the damage in the solder joint. In TSV technology, however, the driving failure may be TSV interconnects. In this study, the thermomechanical reliability of TSV technology is investigated using finite element method. Thermal stress and thermal fatigue phenomenon caused by repetitive temperature cycling are analyzed, and possible failure locations are discussed. In particular, the effects of via size, via pitch and bonding pad on thermo-mechanical reliability are investigated. The plastic strain generally increases with via size increases. Therefore, expected thermal fatigue life also increase as the via size decreases. However, the small via shows the higher von Mises stress. This means that smaller vias are not always safe despite their longer life expectancy. Therefore careful design consideration of via size and pitch is required for reliability improvement. Also the bonding pad design is important for enhancing the reliability of TSV structure.

반도체 소자 국제 표준화 최근 동향 연구

좌성훈,한태수,김원종,Choa, Sung-Hoon,Han, Tae-Su,Kim, Wonjong 한국마이크로전자및패키징학회 2016 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.23 No.1

Nowadays, the importance of role of the international standardization keeps increasing substantially. We have already known that international standards have a huge impact on many companies, industries and nations. So far, it has been thought that standardizations are needed after the new products come into the market and are mass-produced in order to encourage the use of the products, systems and services. Standardization will make the products more safe, efficient, and environmentally friendly for the users. However, in these days, a paradigm of the standardization has been changed. International standard becomes a tool for dominating global market and is the most important ingredients of the competitiveness and economic progress of the nation and enterprises. Many countries like Japan, Germany and U.S. use the standardization as an effective method to dominate the market and monopolized the new technologies. Therefore, worldwide competition for the standardization of the new technology become fierce. Korea is leading the technology in semiconductor field. However, activities of international standardization are not sufficient. In order to boost the standardization activities in Korea from industry, academia, and research institute, this paper briefly introduce the international standard organization and some critical issues for next-generation semiconductor memory such as flexible semiconductor, automobile semiconductor and wearable devices.

MEMS 패키징에서 구리 Via 홀의 기계적 신뢰성에 관한 연구

좌성훈,Choa, Sung-Hoon 한국마이크로전자및패키징학회 2008 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.15 No.2

In this paper, mechanical reliability issues of copper through-wafer interconnections are investigated numerically and experimentally. A hermetic wafer level packaging for MEMS devices is developed. Au-Sn eutectic bonding technology is used to achieve hermetic sealing, and the vertical through-hole via filled with electroplated copper for the electrical connection is also used. The MEMS package has the size of $1mm{\times}1mm{\times}700{\mu}m$. The robustness of the package is confirmed by several reliability tests. Several factors which could induce via hole cracking failure are investigated such as thermal expansion mismatch, via etch profile, and copper diffusion phenomenon. Alternative electroplating process is suggested for preventing Cu diffusion and increasing the adhesion performance of the electroplating process. After implementing several improvements, reliability tests were performed, and via hole cracking as well as significant changes in the shear strength were not observed. Helium leak testing indicated that the leak rate of the package meets the requirements of MIL-STD-883F specification. 본 연구에서는 MEMS 소자의 직접화 및 소형화에 필수적인 through-wafer via interconnect의 신뢰성 문제를 연구하였다. 이를 위하여 Au-Sn eutectic 접합 기술을 이용하여 밀봉(hermetic) 접합을 한 웨이퍼 레벨 MEMS 패키지 소자를 개발하였으며, 전기도금법을 이용하여 수직 through-hole via 내부를 구리로 충전함으로써 전기적 연결을 시도하였다. 제작된 MEMS 패키지의 크기는 $1mm{\times}1mm{\times}700{\mu}m$이었다. 제작된 MEMS패키지의 신뢰성 수행 결과 비아 홀(via hole)주변의 크랙 발생으로 패키지의 파손이 발생하였다. 구리 through-via의 기계적 신뢰성에 영향을 줄 수 있는 여러 인자들에 대해서 수치적 해석 및 실험적인 연구를 수행하였다. 분석 결과 via hole의 크랙을 발생시킬 수 있는 파괴 인자로서 열팽창 계수의 차이, 비아 홀의 형상, 구리 확산 현상 등이 있었다. 궁극적으로 구리 확산을 방지하고, 전기도금 공정의 접합력을 향상시킬 수 있는 새로운 공정 방식을 적용함으로써 비아 홀 크랙으로 인한 패키지의 파괴를 개선할 수 있었다.

봉지막이 박형 실리콘 칩의 파괴에 미치는 영향에 대한 수치해석 연구

좌성훈,장영문,이행수,Choa, Sung-Hoon,Jang, Young-Moon,Lee, Haeng-Soo 한국마이크로전자및패키징학회 2018 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.25 No.1

최근 플렉서블 OLED, 플렉서블 반도체, 플렉서블 태양전지와 같은 유연전자소자의 개발이 각광을 받고 있다. 유연소자에 밀봉 혹은 봉지(encapsulation) 기술이 매우 필요하며, 봉지 기술은 유연소자의 응력을 완화시키거나, 산소나 습기에 노출되는 것을 방지하기 위해 적용된다. 본 연구는 봉지막(encapsulation layer)이 반도체 칩의 내구성에 미치는 영향을 고찰하였다. 특히 다층 구조 패키지의 칩의 파괴성능에 미치는 영향을 칩의 center crack에 대한 파괴해석을 통하여 살펴보았다. 다층구조 패키지는 폭이 넓어 칩 위로만 봉지막이 덮고있는 "wide chip"과 칩의 폭이 좁아 봉지막이 칩과 기판을 모두 감싸고 있는 "narrow chip"의 모델로 구분하였다. Wide chip모델의 경우 작용하는 하중조건에 상관없이 봉지막의 두께가 두꺼울수록, 강성이 커질수록 칩의 파괴성능은 향상된다. 그러나 narrow chip모델에 인장이 작용할 때 봉지막의 두께가 두껍고 강성이 커질수록 파괴성능은 악화되는데 이는 외부하중이 바로 칩에 작용하지 않고 봉지막을 통하여 전달되기에 봉지막이 강하면 강한 외력이 칩내의 균열에 작용하기 때문이다. Narrow chip모델에 굽힘이 작용할 경우는 봉지막의 강성과 두께에 따라 균열에 미치는 영향이 달라지는데 봉지막의 두께가 작을 때는 봉지막이 없을 때보다 파괴성능이 나쁘지만 강성과 두께의 증가하면neutral axis가 점점 상승하여 균열이 있는 칩이 neutral axis에 가까워지게 되므로 균열에 작용하는 하중의 크기가 급격히 줄어들게 되어 파괴성능은 향상된다. 본 연구는 봉지막이 있는 다층 패키지 구조에 다양한 형태의 하중이 작용할 때 패키지의 파괴성능을 향상시키기 위한 봉지막의 설계가이드로 활용될 수 있다. Recently, there has been rapid development in the field of flexible electronic devices, such as organic light emitting diodes (OLEDs), organic solar cells and flexible sensors. Encapsulation process is added to protect the flexible electronic devices from exposure to oxygen and moisture in the air. Using numerical simulation, we investigated the effects of the encapsulation layer on mechanical stability of the silicon chip, especially the fracture performance of center crack in multi-layer package for various loading condition. The multi-layer package is categorized in two type - a wide chip model in which the chip has a large width and encapsulation layer covers only the chip, and a narrow chip model in which the chip covers both the substrate and the chip with smaller width than the substrate. In the wide chip model where the external load acts directly on the chip, the encapsulation layer with high stiffness enhanced the crack resistance of the film chip as the thickness of the encapsulation layer increased regardless of loading conditions. In contrast, the encapsulation layer with high stiffness reduced the crack resistance of the film chip in the narrow chip model for the case of external tensile strain loading. This is because the external load is transferred to the chip through the encapsulation layer and the small load acts on the chip for the weak encapsulation layer in the narrow chip model. When the bending moment acts on the narrow model, thin encapsulation layer and thick encapsulation layer show the opposite results since the neutral axis is moving toward the chip with a crack and load acting on chip decreases consequently as the thickness of encapsulation layer increases. The present study is expected to provide practical design guidance to enhance the durability and fracture performance of the silicon chip in the multilayer package with encapsulation layer.

미세 입자에 의한 thermal asperity의 민감도 해석 및 감소 방안

좌성훈(Sung-Hoon Choa) 한국자기학회 2000 韓國磁氣學會誌 Vol.10 No.6

With use of (G)MR head, thermal asperity (TA) has been a big concern in drive industry. In this study, we investigated several factors of heads and disks which affects the TA sensitivity of the drive. TA experiments were conducted by introducing the particles on the drives using a particle injection chamber. It was found that the slider ABS shape can help to reduce TA or contamination in the head/media interface. However, TA sensitivity of the drive mainly depend on the intrinsic property of (G)MR sensor. GMR head is much less sensitive to TA compared with MR head. However, in case that the same bias current was applied for both of MR and GMR head, TA sensitivity of GMR head became almost identical to that of MR head. Therefore it was found that the bias current is a dominant factor in determining TA sensitivity of the head. TA sensitivity of different types of disks was also studied. The scratch resistance of the the carbon overcoat layer is the one of the main factors which influence TA rejection capability of the disks.

HDD 디스크-스핀들 시스템의 동특성 개선에 관한 연구

좌성훈(Sung Hoon Choa),손진승(Jin Seung Sohn),이행수(Haeng Soo Lee),홍민표(Min Pyo Hong),고정석(Jeong Seok Koh),곽주영(Joo Young Kwak),조은형(Eun Hyung Cho) 한국소음진동공학회 2001 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2001 No.6

유연 ITO 박막의 신뢰성 향상을 위한 주요 인자의 실험적 연구

좌성훈(Sung-Hoon Choa),은경태(Kyoungtae Eun),오세인(Se in Oh),이미경(Mikyoung Lee),강재욱(Jae-Wook Kang),김도근(Do-Geun Kim),정성훈(Sung-Hoon Jeong) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.10

Transparent conducting oxide (TCO) films have recently attracted a great deal of attention due to the rapid advances being made in flexible electronic devices. However, research regarding the mechanical reliability of flexible electronics is still limited, and there is a lack of data concerning the reliability of TCO films. In this study, we investigated the bending reliability of TCO film using indium tin oxide (ITO) film on PET substrate. In order to study the effects of PET substrate thickness and ITO film thickness on bending reliability, various samples with different thickness of ITO films and substrates were fabricated and tested. The electrical and optical properties of the films were also evaluated. In order to improve the mechanical reliability of ITO film, we used the neutral mechanical plane concept, which is free from any stresses during bending. Neutral plane was made by the addition of PET substrate of the same thickness on top of the ITO/PET substrate. Finally, reliability of ITO/poly (3, 4 - ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)(PEDOT:PSS) films was evaluated with universal reliability tests including bending, stretching, twisting, and fatigue tests.

MEMS 기술 및 소자의 국제 표준화 동향 연구

좌성훈(Choa, Sung-Hoon) 표준인증안전학회 2020 표준인증안전학회지 Vol.10 No.3

최근 IoT, Al 및 웨어러블 기술이 미래 첨단 기술로 등장함에 따라 센서 기술의 중요성이 크게 부각되고 있다. 특히, MEMS(Microelectromechanical Systems, 초소형 전기기계소자) 기술을 이용한 스마트 센서는 저전력, 소형화 및 저가격의 여러 장점으로 인해 매우 빠르게 발전하고 있다. 따라서 10 년 내에 전 세계적으로 1 조 개이상의 센서가 필요할 것으로 예상하고 있다. 또한 MEMS 기술의 빠른 발전과 함께 MEMS 기술의 표준화 요구도 크게 증가하고 있다. 1990년도에 MEMS 기술의 상용화가 시작되면서 MEMS 기술의 표준화를 위한 다양한 노력이 이루어졌다. 그러나 MEMS 소자 및 제조 공정의 다양성과 복잡성으로 인하여, MEMS 기술의 표준화는 매우 복잡하고 어려운 것으로 알려져 있었다. 본격적인 MEMS 기술의 표준화는 2008년 국제표준화 기구인 IEC에 SC 47F 위원회가 설립하면서 시작되었다. 최근에는 센서의 중요성으로 인하여 SEMI 및 IEEE와 같은 여러 기관 및 기업에서도 MEMS 표준화를 적극적으로 추진하고 있다. 본 연구에서는 주로 IEC의 표준화 활동을 중점으로 최근 진행되고 있는 MEMS 기술의 국제 표준화 및 국내 표준화 동향을 고찰하였다. 이를 통하여아직 기술 및 산업적으로 미약한 국내 센서 산업의 역량을 강화할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다. 향후 국내의 MEMS 산업의 발전은 차세대 센서 분야인 바이오, 환경, 웨어러블 센서에 집중하고, 특히 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술이 필요하다. 한국의 MEMS 산업의 경쟁력 강화를 위하여 산업계와 학계가 공동으로 이와 관련된 국내의 MEMS 표준화의 개발이 시급하다고 하겠다. As IoT, Al, and wearable technologies are emerged as a future technology, the importance of the sensor technology draws a great attention. In particular, smart sensors using MEMS (microelectromechanical systems) technology have been rapidly developed due to several advantages of low power, small size, and low cost. Therefore, it was expected that more than 1 trillion sensors will be required worldwide within 10 years. Along with the rapid development of the MEMS technology, the requirements of standardization for the MEMS technology also keep rapidly increasing. As commercialization of the MEMS devices has began in the 1990s, various efforts for the MEMS standardizations has been made. However, due to the diversity of the MEMS devices and fabrication processes, the standardization of the MEMS technology has been known to be very complicated and difficult. The standardization of the MEMS technology has began in 2008 with the establishment of the SC 47F committee in IEC. Several organizations such as SEMI and IEEE are also actively promoting MEMS standardization. In this study, we reviewed the recent trends of the international and Korea standardization of the MEMS technology. It is necessary to strengthen the capabilities of the domestic sensor industry, which is still technologically and industrially weak. The future development of the domestic MEMS industry should be focus on the next-generation sensors such as bio, environment, and wearable sensors, and in particular, technologies that can improve MEMS reliability are required. In order to strengthen the competitiveness of Korea s MEMS industry, it is urgent for the industry and academia to jointly develop the related domestic MEMS standardization.

패키징으로 인한 응력이 MEMS 소자에 미치는 영향 분석 및 개선

좌성훈(Sung-Hoon Choa),조용철(Yong Chul Cho),이문철(Moon Chul Lee) Korean Society for Precision Engineering 2005 한국정밀공학회지 Vol.22 No.11

LED 모듈의 초고속 레이저 절단을 위한 연구

최원용,좌성훈,Choi, Won Yong,Choa, Sung-Hoon 한국마이크로전자및패키징학회 2017 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.24 No.1

최근 레이저를 이용하여 전자 소자 및 모듈을 절단하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 레이저를 이용하여 LED 모듈을 초고속 절단하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 특히 기존의 다이싱(dicing) saw의 절단 속도를 훨씬 능가하는 100 mm/s의 초고속 레이저 절단의 가능성을 검토하였다. 이를 위하여 LED 모듈의 구성 재료인 copper/ceramic 및 silicone/ceramic 이종 복합 기판을 제작하여 레이저 절단 후, 절단면의 표면 특성, 표면조도, 굽힘 강도를 다이싱 saw를 이용하여 절단한 샘플과 비교하였다. 복합 기판에 대한 최적의 레이저 절단 조건을 찾기 위하여, 세라믹 및 구리 단일 기판의 레이저 절단을 통하여 다양한 레이저 공정 조건들에 대한 영향 검토하였다. 절단면의 표면 특성이 가장 좋은 최적의 레이저 절단 조건은 Ar 보조 가스의 사용, 높은 레이저 파워 및 높은 보조 가스의 압력이었다. Copper/ceramic 및 silicone/ceramic 이종 복합 기판에 대하여 레이저 절단과 다이싱 saw로 절단한 기판의 절단면을 비교한 결과, 레이저로 절단된 기판이 다이싱 saw 절단에 비하여 표면이 거칠고 표면 특성이 약간 나쁘다. 레이저 절단면의 평균 표면조도는 약 $9{\mu}m$ 이며, 다이싱 saw로 절단된 절단면의 표면조도는 약 $4{\mu}m$ 이었다. 그러나 다이싱 절단의 절단 속도(3 mm/s)를 고려하면 레이저 절단면의 표면 morphology가 비교적 균일하고, 표면조도도 다이싱 절단의 경우와 큰 차이가 없기 때문에 어느 정도 만족할 만한 결과를 얻었다고 판단된다. 또한 레이저 절단된 기판의 굽힘 강도가 다이싱으로 절단된 기판의 굽힘 강도보다 동등하거나 약간 열세이었다. 그러나 향후 레이저의 절단 조건이 좀 더 최적화된다면 LED 모듈의 초고속 레이저 절단이 가능할 것으로 판단된다. In this study, we conducted the preliminary research for high speed laser cutting of LED module. In particular, the feasibility of ultra-high speed laser cutting of 100 mm/s which exceeds the cutting speed of conventional dicing saw was examined. For this, copper/ceramic and silicone/ceramic hybrid substrates, which are the components of the LED module, were fabricated, and the surface morphology, surface roughness and flexural strength of the laser-cut samples were investigate and compared with the dicing-cut samples. To investigate optimal laser cutting conditions for hybrid substrates, the effects of various laser cutting conditions on cutting surface characteristics were studied using single ceramic and copper substrate. Optimal laser cutting conditions of the hybrid substrates were the use of Ar assist gas, high laser power and high assist gas pressure. Comparing the cutting surface of the hybrid substrates, the surface characteristics of the laser-cut samples are slightly inferior to those of the dicing-cut samples. The average surface roughness of the laser-cut samples was about $9{\mu}m$, and that of the dicing-cut samples was about $4{\mu}m$. However, considering very low cutting speed (3 mm/s) of the dicing saw, the surface morphology of the laser-cut sample was relatively uniform, and the surface roughness was not much different from that of the dicing-cut sample. The flexural strength of the laser-cut samples was equivalent to or slightly inferior to the flexural strength of dicing-cut samples. However, if the laser processing conditions are sufficiently optimized, the ultra-high speed laser cutting of the LED module will be possible.