Effect of electroplating current density on the microstructure and mechanical property of Cu pillar bump

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The continuous miniaturization of fine-pitch interconnections in advanced semiconductor devices has increased the importance of achieving both mechanical and interfacial reliability in Cu pillar bump structures. Owing to their slender geometry and excellent electrical conductivity, Cu pillar bumps have become a core technology in high-bandwidth packaging such as HBM. However, as the bump diameter and solder volume continue to decrease, process-induced defects and interfacial degradation become critical reliability concerns.
This study investigates the influence of electroplating current density on the microstructural evolution and mechanical behavior of Cu/Ni/Cu/SnAg (CNCS) micro-bump interconnections. Test vehicles were fabricated according to the JEDEC HBM base-die specification with a 28-µm critical dimension and 35-µm reflow height. Cu electroplating was performed at current densities ranging from 3 to 13 A/dm², and the resulting Cu pillars were characterized by EBSD, SEM, and FIB to analyze grain morphology and orientation. Mechanical reliability was evaluated through Vickers hardness and shear testing, supported by finite-element simulations to visualize stress localization at the bump interface.
At low current density, the Cu pillar exhibited large columnar grains with a dominant (111) orientation, smooth sidewalls, and high shear strength. As the current density increased, grain size was refined due to enhanced nucleation under higher overpotential, which increased hardness but simultaneously promoted undercut formation during seed-layer etching. Finite-element results confirmed that the undercut region served as a major stress-concentration site, causing a transition in fracture mode from bulk cohesive to interfacial delamination.
These findings demonstrate that electroplating current density governs both the intrinsic strength and interfacial stability of Cu pillars. While higher current density strengthens the Cu layer through grain refinement, excessive overpotential deteriorates sidewall integrity. Thus, optimizing the electroplating current density and post-etch control is essential to achieve reliable CNCS micro-bumps for fine-pitch interconnection in advanced packaging applications.

국문 초록 (Abstract)

고성능 반도체 패키지의 미세 피치화가 가속되면서, Cu 필러 범프 구조의 기계적·전기적 신뢰성을 동시에 확보하는 것이 점점 더 중요해지고 있다. Fine pitch 구현이 가능하고 우수한 전기적 전도성을 갖는 Cu 필러 범프는 HBM과 같은 고대역폭 패키징에서 핵심 기술로 활용되고 있다. 그러나 범프 직경과 솔더 부피가 감소함에 따라, 공정 기인 결함과 계면 열화가 주요 신뢰성 문제로 대두되고 있다.
본 연구에서는 전기도금 시 인가되는 전류밀도가 Cu/Ni/Cu/SnAg(CNCS) 미세범프의 미세조직 및 기계적 거동에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다. JEDEC HBM Base-die 규격을 기반으로, 범프 직경 28 µm 및 리플로 높이 35 µm의 시험구조를 제작하였으며, Cu 전기도금은 3–13 A/dm²의 전류밀도 범위에서 수행하였다. 도금된 Cu 필러의 결정방향성과 미세조직은 EBSD, SEM, FIB 분석을 통해 관찰하였고, 기계적 특성은 비커스 경도시험과 전단시험으로 평가하였다. 또한 유한요소해석(FEA)을 통해 전단 하중 시 계면 응력 분포를 분석하였다.
낮은 전류밀도(3 ASD)에서는 (111) 우선배향을 갖는 조대한 주상결정 구조가 형성되어 매끄러운 측벽과 높은 전단강도를 보였다. 반면 전류밀도가 증가함에 따라 높은 과전압 조건에서 핵생성률이 증가하여 결정립이 미세화되었고, 이에 따라 경도는 증가하였으나 시드층 식각 과정에서 언더컷(undercut) 형성이 촉진되었다. 해석 결과, 언더컷 부위는 전단 시 응력 집중 영역으로 작용하여 파괴 양상이 벌크 내 균열에서 계면 박리로 전이되는 것으로 확인되었다
이와 같은 결과는 전류밀도가 Cu 필러의 내부 강도와 계면 안정성 모두를 지배함을 보여준다. 높은 전류밀도는 결정립 미세화를 통해 재료의 경도를 향상시키지만, 동시에 과도한 언더컷 발생으로 인해 계면 신뢰성을 저하시킨다. 따라서 전기도금 전류밀도와 식각 조건을 최적화하여, 미세 피치 패키징에서 균형 잡힌 기계적 강도와 계면 안정성을 확보하는 것이 필수적임을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Background 6
• 2.1 Cu Electroplating 6
• 2.2 Sn-Ag Co-electroplating 7
• 2.3 IMC Formation and Growth 10
• Chapter 3. Experimental Procedures 12
• 3.1 Sample preparation 12
• 3.2 Electroplating Conditions 16
• 3.3 Analysis Methods 16
• Chapter 4. Results and discussion 17
• Chapter 5. Conclusion 38
• References 41
• Korean Abstract 44