홈   >   Special Report 이 기사의 입력시간 : 2014-08-31 (일) 8:36:01
밀리미터 레이더용 RF-모듈 생산 향상에 기여
초음파 플립칩 본딩 기술
2014-09  자료출처 : FUJITSU TEN
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밀리미터파 레이더는 교통사고 및 교통 정체에 의한 사망을 줄이기 위한 목적으로 발전되어 왔고, 시장이 형성되어 왔다. 그러나 밀리미터파 레이더가 더욱 폭 넓게 사용되기 위해서는 더욱 값싸질 필요가 있다. 값싼 레이더를 제작하기 위해 우리는 RF-모듈의 비용 절감에 초점을 둔 새로운 MMIC(Monolithic Microwave IC) 구조와 본딩 기술을 개발했다. 본고에서는 레진계 서브스트레이트에 MMIC를 본딩하는 새로운 기술과 MMIC 기술을 분석하고 자체 접합된 조건을 설명했다.
 


서문

FUJITSU TEN은 2003년에 자동차용 front 밀리미터파 레이더의 대량 생산을 시작했다. 최근 우리는 차량의 front 뿐만 아니라 rear 및 front-side의 더 넓은 각도에서도 물체를 탐지하는 목적의 밀리미터파 레이더를 대량 생산해왔다. 증가하는 레이더의 수는 하이엔드 자동차뿐만 아니라 저렴한 자동차에도 표준 설비로 내장되는 것을 기대하고 있다. 멀티플 레이더는 운전자 및 보행자의 안전을 향상시키는 직접적인 방법으로, 물체를 탐지하도록 자동차에 장착될 것이다. 그래서 레이더는 소형화와 낮은 가격대가 요구되고 있다. 본고에서는 밀리미터파 레이더의 주요 부품 중 하나인 RF-모듈의 비용 절감 목적으로 개발된 초음파 플립칩 본딩 기술을 설명한다.

RF-모듈용 새로운 구조와 본딩 방법

현재 대량 생산된 RF-모듈에는 MMIC(Monolithic Micro wave IC)가 밀봉되었고, 고정시키기 위한 서브스트레이트가 메탈 프레임에 붙어 있는 세라믹 패키지이다. Au pillar 범프는 고주파 특성을 보장하기 위해 단자 사이를 100㎛ 간격으로써, 열압착 본딩 방법을 통해 MMIC를 실장하는데 사용해야만 한다. 결과적으로, 세라믹을 적용한 패키지의 비용이 추가되고, 전통적인 모듈은 세라믹의 낮은 선형 열팽창에 적합한 메탈 프레임이 많은 부분을 차지한다. 서브스트레이트와 메탈 프레임을 결합하기 위한 본딩 재료의 설정과 해당 애플리케이션과 같은 프로세스의 경우도 그러하다.
더 적은 부품과 더 적은 프로세스를 통해 RF-모듈의 비용을 줄이기 위해, 새로운 MMIC 구조를 개발하였고, 플라즈마 클리닝과 MMIC 본딩용 방법으로 초음파 본딩을 적용하였다.

그림 1에서는 RF-모듈의 구조를 보여주고 있다. 새로운 구조 내에는 내습성, 소형화 및 비용 절감을 제공하는 자체 표면에 칩이 멀티레이어 와이어링(이하 3D로 언급)으로 연결되었다. 게다가, 레진계 서브스트레이트를 채용함으로써 RF 서브스트레이트 비용을 줄였고, 서브스트레이트를 메탈 프레임에 비틀어 고정시킴으로써 프로세스 비용도 감소시켰고, 어셈블리 프로세스를 단순하게 했다.
낮은 온도에서 본딩을 가능하게 하는 초음파 본딩 방법은 새로운 구조의 MMIC 칩을 실장하는데 이용되었다. 전통적인 열압착 방식의 본딩 시 3D MMIC가 열에 변형되기 때문이다. 게다가 저온에서의 본딩은 MMIC 본딩 프로세스 내의 고온에 의한 변형 혹은 수축으로부터 레진계 서브스트레이트를 예방하기에 필요하다.
초음파 본딩 방법은 저온에서의 접합이 가능하다. 그러나 200개의 Au 범프들은 레진계 서브스트레이트에 평평하게 접합되어야만 한다. 서브스트레이트에 이들 범프들을 접합하기 위해 어떻게 초음파를 균등하게 적용하는가라는 문제가 대두되었다.
전통적인 컨슈머-제품 애플리케이션 기술로는 레진계 서브스트레이트가 자동차용 디바이스에서 요구하는 신뢰성을 달성할 수 있는지 보장할 수 없다. 자체적으로 커다란 열 팽창력 때문에 그렇다. 근본적으로 새로운 접근법 개발이 필요하다.

초음파 본딩의 개략

3D-MMIC의 Au 범프는 초음파 본딩 방법에서 Au 도금처리된 전극 패드(이하, 패드)에 비벼짐으로써 접합된다. 범프의 표면과 패드는 이들 사이의 계면에서 금속 접합이 발생하도록 Au 처리되었다. 초음파 진동은 각각 다르게 표면 가까이 이동한다. 범프의 금속 원자와 패드는 방산하고, 금속적인 방산은 범프와 패드를 접합한다. 금속 본딩은 접합된 계면이 사라진 곳에서 상을 만드는 것을 의미한다. 그림 2에서 본딩 프로세스와 접합된 계면의 조건이 변하는 것을 보여주고 있다.


RF-모듈의 어셈블리 프로세스


그림 3에서는 RF-모듈의 어셈블리 프로세스를 보여주고 있다. 첫째, Au 범프의 표면과 접합되는 패드는 그들 표면에서의 이물질을 제거하기 위해 플라즈마로 세척되었다. 이들 표면 상의 먼지 및 다른 이물질들은 접합 불량을 유발하는 보이드의 원인이 된다. 그래서 이들 표면을 Ar 플라즈마로 세척했다. 두 번째, 범프와 패드는 초음파를 사용해서 플립칩 본더로 접합된다. 초음파 본딩 내에서, 본딩 로드와 초음파 진폭은 동시에 3D-MMIC에 적용된다. 그래서 Au 범프가 패드에 접합된다.
다음으로, 본드된 부분은 언더필이라고 불리는 레진계 강화제로 충진되고 경화되도록 열이 가해진다.

200개의 Au 범프를 레진계 서브스트레이트에 평평하게 접합시키기 위해 2개의 상반되는 문제를 해결하는 솔루션이 필요하다: 적은 와이어링 변형 및 접합된 에어리어의 파손(충분한 본드 강도) 예방.
전통적으로 물을 이용한 와이어링 프로세스 내에서 초음파 본딩에 의한 Au 범프의 변형 때문에 변형이 나타나거나 혹은 심지어 더한 경우에 멀티레이어 와이어링의 와이어 파손의 문제가 존재하는 것은 잘 알려져 있다. 그림 4에서 와이어링 패턴의 변형 예를 보여주고 있다.

초기에 우리는 와이어의 파손을 방지하면서 동시에 충분한 본드 강도를 보장함으로써 문제를 해결하는 본딩 조건을 결정하기 위해 노력했다. 그러나 일부의 경우에 언더필이 경화되는 그 시기에 열 응력에 의해 접합된 에어리어가 파손된 곳을 볼 수 있었다. 그림 5에서는 Au 범프와 Au 도금 사이 계면의 파손 예를 보여주고 있다.
다음 섹션에서는 이들 상반되는 문제들을 해결하려는 우리의 노력을 설명할 것이다.



와이어링 패턴 변형 예방을 위한 노력                      

Au 범프가 멀티레이어 와이어링을 형성한 후, 초음파 본딩 동안 범프에 가해졌던 응력은 범프의 바닥면 가장자리 밑의 와이어를 변형시킬 수도 있다. 가능한 적은 3D-MMIC 웨이퍼 프로세스로 전환하여 변형을 감소시키는 노력을 기울였다. 근본적으로, 보호용 레진계 필름이 Au 범프의 바닥 아래에 놓인다. 그래서 초음파 본딩 동안 Au 범프가 응력에 의해 변형될 때 보호용 레진계 필름 또한 변형되고, 그렇게 Au 범프 밑에서 와이어된다. Au 범프에 가해지는 응력을 분석했고, 응력을 견딜 수 있도록 하는 그들 구조(보강 구조)까지 알아보았다. 보강 구조가 추가됨에 따라, 본싱 시의 변형 및 와이어 패턴 파손의 감소효과를 얻을 수 있었다. 그림 6에서는 Au 범프의 구조와 보강된 Au 범프의 구조를 보여주고 있다. 그림 7에서는 레진계 서브스트레이트에 접합된 보강 Au 범프의 횡단면 결과를 보여주고 있다.



앞서 언급한 방법에 따라 초음파 본딩을 위한 새로운 와이어링 구조를 설정했다.

접합된 계면 파손을 예방 노력 

접합된 부분의 파손을 예방하기 위해 Au 범프에 가해지는 열응력을 견디도록 접합 강도가 향상될 필요성을 느꼈다. 범프 각각의 접합 강도를 향상시키는 것은 매우 어렵다. 3D 와이어링 패턴 디자인 및 Au 도금 두께에 따라 3D-MMIC Au 범프가 다양한 높이를 가지고 있기 때문이다. 그래서 200개 범프가 균일하게 접합된 부분의 접합 조건을 측정했다. 그림 8에서 전통적인 접합 프로파일의 대략도를 보여주고 있다.



초음파 접합 시 전체 3D-MMIC에 load(F1)이 가해졌다. 그래서 각 Au 범프에 가해진 load는 패드에 닿아있는 Au 범프의 수에 따라 달라졌다. 결과적으로 개별적인 범프의 접합 조건은 각기 다르다. 접합의 초기 단계에서 큰 Au 범프의 소수만이 패드에 닿았다. 3D-MMIC에 특정한 load의 애플리케이션은 큰 Au 범프에 과도한 load를 의미하고, 이들은 초음파에 의해 비벼지지 않는다. 그래서 심지어 이들 범프도 변형되었고, 접합을 위한 그들 영역은 충분하게 크지 않고, 그래서 자체 접합 강도는 부족하다. 그림 9는 본딩의 이미지를 보여주고 있다.

한편, 본딩의 초기 단계에서 load(F2)가 너무 약할 때, 모든 Au 범프가 패드에 닿아야만 하는 곳의 본딩의 최종 단계에서 소형 Au 범프가 충분하게 변형되지 않고, 본딩 에어리어는 충분하게 넓지 않다. 그래서 접합 강도는 또 다시 충분하지 않는다. 왜냐하면 일부 범프는 패드에 닿지 않고 일부 범프가 패드 상에 미끄러지기 때문이다. 그림 10에서는 본딩의 이미지를 보여주고 있다.

문제를 해결하기 위해, 본딩 기술을 향상했다. 커다란 범프 사이즈를 적은 범프 사이즈와 동일한 높이로 만들기 위해 작은 load(F1)에서 규칙적으로 load를 증대시키거나 혹은 load(F2) 본딩 초기 단계에서 모든 범프가 패드에 닿을 때 실제 본딩 당시에 필요한 범프의 높이를 평평하게 하는 초음파 기술을 적용하였다. 그림 11에서 향상된 초음파 본딩 프로파일을 보여주고 있다.

지속적인 load를 지닌 전통적인 본딩 프로파일은 균등하지 못한 3D-MMIC 범프의 본딩 결과를 초래한다. 그러나 향상된 본딩 프로파일의 경우, 3D-MMIC의 범프는 매우 균등하게 접합되었다. 결과적으로 향상된 본딩 프로파일은 전통적인 조건하의 본딩 시 발생되어 온 접합된 부분의 파손문제를 없앤다.
본고에서, 접합 에어리어 측정을 위해 프로세스를 설명하고자 한다. 첫째, 언더필을 경화시키기 위해 사용되는 열적 기록이 접합된 3D-MMIC에 적용되었고, 그런 후 3D-MMIC는 인장테스트로 떼어냈다. 두 번째, 서브스트레이트 상에 존재하는 개별적인 Au 범프의 절단강도가 측정되었고, 자체 접합된 에어리어 또한 분석되었다. 그림 12에서는 접합 강도의 측정 대략도를 보여주고 있으며, 그림 13에서는 파손된 표면의 측정 예를 보여주고 있다. 그림 14에서는 접합된 에어리어의 관계와 범프의 절단 강도를 보여주고 있다.


그림 14에서 보는 바와 같이, 절단 강도는 접합된 에어리어와 관계가 있다. 접합된 에어리어 참고자료를 사용한 파라미터 디자인에 의한 접합 부분의 파손을 예방할 수 있었다.


신뢰성 테스트 결과


자체 전기 전도성 저항의 변화 비율과 자체 접합된 에어리어의 종단표면의 조건을 판명하기 위해 MMIC가 부착된 서브스트레이트의 온도 사이클 테스트(-40℃, 125℃에서 각각 30분 동안)을 실시했다. 그림 15에서는 그 결과를 보여주고 있다.



테스트 결과, 기준 값의 3,000사이클 이후 전기 전도성 저항 변화비율 보다 10% 미안으로 매우 신뢰할 만한 수준임을 확인했다. 와이어링 패턴의 어떠한 피해가 없었고, 종단표면의 접합 부분의 파손도 없었다.


접합 측정 및 분석 방법의 발전


접합 강도를 성공적으로 향상시켰으나, 이러한 결과를 이끌기 위해서는 부품 평가기술 및 접합 부분의 분석기술 향상 또한 매우 중요하다.
부품 평가기술의 경우, 조절 가능한 Au 범프 높이의 제한성을 인식하는 것이 필요했다. 접합 부분 분석기술의 경우, 접합 강도 및 전기 전도성 저항을 측정하는 것뿐만 아니라 기계적인 접합 조건도 판명했다. 결과적으로, 앞서 언급된 파라미터 디자인이 플립칩 본딩에 적합함을 확인했다. 다음 섹션에서 측정 및 분석 방법에 대해 설명한다.


Au 범프 높이 평가

이전 섹션에서 접합 부분의 파손에 관해 측정함으로써 본딩 프로파일을 논의했다. 그러나 범프 높이의 차이를 조절하는데 제한성이 있다는 또 다른 문제가 존재했다. 접합 부분의 파손문제를 제거하는 목적의 경우, Au 범프의 조절 가능한 높이의 제한성을 알기 위해 멀티포인트 측정 기술을 향상시켰다.
변위계(displacement meter)의 작은 직경 레이저 빔을 사용하여 모든 범프의 높이를 측정하였고, 높이 당 이들 범프를 색깔로 표시했다. 이들 범프 간의 간격은 매우 작아서 범프를 측정하기 위해 약 한 시간동안 촬영했다. 그러나 이후 측정방법에서 리뷰하겠지만, 범프 당 측정 시간은 몇 분으로 제한하였다. 그래서 Au 범프 높이의 변동을 볼 수 있었다. 그림 16에서는 Au 범프 높이의 측정결과 예를 보여주고 있다.


결과에 기반하여, 본딩 프로파일을 논의하였고, 범프 높이의 사양을 결정하였다.

접합 계면 평가 및 분석 방법들

접합 계면 평가하기 위한 아래의 두 가지 방법을 사용하였다.
1) 수치 측면에서 접합 계면의 조건들(접합 계면의 소멸비율)
2) EBSD(Electron Back Scatter Diffraction) 분석

1) 수치 측면에서 접합 계면의 조건을 표현함으로써 분석하기          
그림 2에서 보는 바와 같이, 3D-MMIC가 완벽하게 서브스트레이트에 접합 될 때 접합 계면의 그레인 바운더리들은 금속 본딩에 의해 사라진다. 종단면 프로세싱을 위한 CP(Crosssection Polishing) 방법과 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscopy)은 금속 크리스털과 같은 조그마한 것을 관찰할 수 있게 한다. 접합 계면의 소멸을 기반으로 우수한 본딩 혹은 불량 본딩을 결정하려고 노력했다. 횡단표면의 관찰로 분석된 접합 너비에서 계면의 소실 너비로 소실비율을 정의했다. 그림 17에서는 접합되어진 후 분석된 횡단표면의 예를 보여주고 있다.

게다가 소멸된 계면의 비율은 그림 12에서 설명한 바와 같이 3D-MMIC가 서브스트레이트에서 떼어진 이후, 서브스트레이트 상의 범프의 수와 관계가 있는 것으로 보인다. 소멸된 계면 비율은 우수한 본딩 혹은 불량 본딩을 결정하는데 도움을 주었다. 그림 18에서는 소멸된 접합 계면 비율과 전사율의 관계를 보여주고 있다.

2) EBSD 분석
ESBD 분석에서 초음파 본딩이 완벽하게 금속 본딩을 야기하는 것을 확인하기 위해 패드에 범프가 접합된 영역의 계면에서 Au의 결정화된 조건을 점검하였다. 그림 19에서는 접합된 Au 범프의 EBSD 분석 결과를 보여주고 있다. 그림 19의 (b) Inverse Pole Figure Map 내의 색깔 차이에 의해 구분 가능한 결정 방위의 분포에서 알 수 있듯이, Au 범프의 결정은 옆으로 뻗어졌고, 본딩 전에 근본적인 기둥 모양으로 약간 남아있음에도 불구하고 일반적으로 평탄화되었다.



Au 범프의 변형에 따라 Au 결정 자체가 변형되었음을 확인하였고, 범프의 상부 본딩의 경우에 결정 변형이 에어리어에서 증가하였다. Au 원자를 각각 근접하게 이끌어서 금속 본딩에 기여하는 인공적인 변형은 범프에서 주로 발생했다는 결론을 내릴 수 있었다.
그림 19의 (c) Boundary Map의 결과를 통해, Au 범프와 패드 간의 계면에서 공간 없이 Au 결정이 타이트하게 맞물려져 있는 부분의 조건을 확인했다. 아울러, 접합 계면이 분명하지 않고, 결정이 접합 계면을 관통하여 성장함을 확인하였다. 이러한 것들이 가능한 이유는 Au 원자가 범프에서 접합 계면을 관통하여 이동하기 때문이다.
이러한 결과는 다음과 같은 결론을 유추하기에 충분하다: 범프와 패드 간의 고밀도에서 Au 원자는 서로 각기 접촉되어 있고, 본딩 이후 즉시 평평해진다. 이는 우수한 금속 본딩을 의미한다. 그림 19에서 보여주고 있는 접합 계면의 소멸은 결정 입계 관점에서 확인했다.

결론

고온에서 세라믹 서브스트레이트 상의 MMIC 본딩을 위해 사용된 전통적인 열압착 본딩 방법을 대체할 수 있는 레진계 서브스트레이트 상의 MMIC 본딩을 위한 초음파 본딩 기술을 수립하였다. 이 기술은 전통적인 방법에서 소요되는 비용과 비교하여 RF-모듈의 비용을 1/3으로 절감시킨다. 본딩 평가의 경우, 금속 결정의 평탄에서 접합 계면의 패드에 접합된 Au 범프의 상을 확인했다. 게다가 접합 강도 및 접촉 저항 등을 평가하여 확인하였다.
향후 3D-MMIC 구조의 RF-모듈 상용화 및 밀리미터 파 레이더 시장의 확대에 크게 기대할 것으로 예상하고 있다.  

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