Au Sn 플립칩 솔더 범프의 마이크로 전자 및 광전자 응용

초록

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본 연구에서는 기존에 사용되는 시간 소모적인 솔더 프리폼 및 페이스트를 대체하기 위해 Au‑Sn 합금의 공동 전해 도금 방법을 적용하였다. 단일 용액에서 공정함으로써, 웨이퍼 상에 직접 유동점 조성에 가까운 Au‑Sn 솔더를 도금할 수 있었다. 30 at.% Sn 조성에서 Au5Sn과 AuSn 두 상이 동시에 형성되었다. 플립칩 접합은 플럭스 없이 300 ℃와 400 ℃에서 리플로우하였다. 300 ℃에서 리플로우된 샘플은 Au‑Sn 솔더와 Ni UBM 사이에 (Au,Ni)3Sn2 상만 형성되었으며, 400 ℃에서 리플로우된 경우 (Au,Ni)3Sn2와 (Au,Ni)3Sn 두 개의 IMC 층이 관찰되었다. 리플로우 시간이 증가함에 따라 인터페이스의 IMC 층 두께가 두꺼워지고, 본체 솔더 내의 유동점 라멜라가 거대화하였다.

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상세 요약

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이 논문은 차세대 고성능 마이크로·광전자 패키징 기술에서 핵심적인 역할을 할 수 있는 Au‑Sn 플립칩 솔더 범프 제조 공정을 제시한다는 점에서 큰 의의를 가진다. 기존의 솔더 프리폼이나 솔더 페이스트는 패턴 정의와 재료 손실, 그리고 공정 시간 증가라는 문제점을 안고 있다. 특히 미세 피치(fine pitch)와 고주파 신호 전송이 요구되는 최신 반도체·광전자 디바이스에서는 솔더 재료의 정확한 조성 제어와 인터페이스 품질이 성능을 좌우한다. 본 연구에서 사용된 공동 전해 도금(co‑electroplating) 방식은 단일 전해액에서 Au와 Sn을 동시에 석출함으로써, 별도의 합금 준비 과정 없이도 목표 조성(≈Au‑Sn 유동점, 30 at.% Sn)에 근접한 합금을 직접 웨이퍼 표면에 형성한다는 장점을 갖는다. 이는 공정 라인 간 물질 이동을 최소화하고, 도금 두께와 조성을 전기화학적 파라미터(전류밀도, 온도, pH 등)로 정밀 제어할 수 있음을 의미한다.

도금된 합금은 Au5Sn과 AuSn 두 상이 공존하는 미세한 라멜라 구조를 보이며, 이는 유동점 온도(≈280 ℃)에 근접한 온도에서 재결정화가 용이하도록 만든다. 논문에서는 300 ℃와 400 ℃ 두 가지 리플로우 온도에서 플럭스 없이 직접 리플로우를 수행했는데, 이는 Au‑Sn 합금이 자체적으로 산화막을 형성하지 않아 플럭스가 필요 없다는 점을 입증한다. 300 ℃에서 관찰된 (Au,Ni)3Sn2 상은 Ni UBM(Under Bump Metallurgy)과 Au‑Sn 솔더 사이에 형성되는 최초의 인터메탈릭 화합물(IMC)로, 얇고 연속적인 층을 이루어 전기·열 전도성을 유지한다. 반면 400 ℃에서는 (Au,Ni)3Sn2에 이어 (Au,Ni)3Sn 상이 추가로 형성되며, 두께가 증가한다. 이는 온도 상승에 따라 Sn의 확산 속도가 가속화되어 Ni와 Au가 더 깊게 반응함을 나타낸다.

리플로우 시간이 길어질수록 IMC 층이 두꺼워지는 현상은 일반적인 솔더 접합에서 관찰되는 ‘IMC 성장’ 메커니즘과 일치한다. 그러나 Au‑Sn 시스템에서는 Au와 Ni이 동시에 참여하는 복합 IMC가 형성되므로, 전통적인 Sn‑Pb 혹은 Sn‑Ag‑Cu 시스템보다 성장 속도가 다소 느리며, 고온 안정성이 향상될 가능성이 있다. 또한, 본체 솔더 내부의 유동점 라멜라가 거대화하는 현상은 장시간 고온 노출 시 기계적 연성 감소와 균열 전파 위험을 내포한다. 따라서 실제 제품 적용 시에는 최적의 리플로우 시간과 온도를 정밀히 설계하여 IMC 두께와 라멜라 크기를 균형 있게 유지해야 한다.

종합하면, 이 연구는 Au‑Sn 공동 전해 도금을 통한 플립칩 솔더 범프 제조가 플럭스 없이도 안정적인 인터페이스를 형성할 수 있음을 증명하고, 온도와 시간에 따른 IMC 형성 및 솔더 미세구조 변화를 체계적으로 규명하였다. 이는 고신뢰성, 고주파, 고온 작동이 요구되는 차세대 전자·광전자 패키징에 적용 가능한 실용적인 공정 기반을 제공한다.

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