Forming characteristics for the bundle extrusion of Cu-Ti bimetal wires are investigated, which can identify the process conditions for weak mechanical bonding at the contact surface during the direct extrusion of a Cu-Ti bimetal wire bundle. Bonding mechanism between Cu and Ti is assumed as a cold pressure welding. Then, the plastic deformation at the contact zone causes mechanical bonding and a new bonding criterion for pressure welding is developed as a function of the principal stretch ratio and normal pressure at the contact surface by analyzing micro local extrusion at the contact zone. The averaged deformation behavior of Cu-Ti bimetal wire is adopted as a constitutive behavior at a material point in the finite element analysis of Cu-Ti wire bundle extrusion. Various process conditions for bundle extrusions are examined. The deformation histories at the three points, near the surface, in the middle and near the center, in the cross section of a bundle are traced and the proposed new bonding criterion is applied to predict whether the mechanical bonding at the Cu-Ti contact surface happens. Finally, a process map for the direct extrusion of Cu-Ti bimetal wire bundle is proposed.
본 논문은 반도체 패키징 기술의 발전에서 Cu/Polymer 하이브리드 본딩 기술의 중요성을 다룬다. 인공지능(AI) 시대의 요구에 부응하여, 반도체 업계는 높은 I/O 수, 저전력, 고열 방출, 다기능성, 소형화를 달성하기 위해 이종 집적 패키징 기술을 탐구하고 있다. 기존의 Cu/SiO2 하이브리드 구조는 1nm 이하의 표면거칠기 달성을 위한 CMP 공정과의 호환성 및 파티클 원인의 접합부 결함 발생 등의 한계점이 존재하지만, Polymer를 사용한 Cu/Polymer 하이브리드 본딩 기술이 이를 극복할 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 본 연구는 Cu/Polymer 하이브리드 본딩에 필요한 Polymer의 증착, 패터닝, 그리고 물성 변화를 중점적으로 탐구하며, 이를 통해 Cu/Polymer 하이브리드 본딩 구조가 기존 기술 대비 갖는 장점과 잠재적 응용 가능성을 제시한다. 특히, 낮은 유리전이온도(Tg)를 가진 Polymer의 사용이 가질 수 있는 저온 접합 공정에서의 이점과 높은 열팽창계수로 인한 기계적 특성의 향상에 대해 논의된다. 또한, Polymer의 표면 특성 변화와 플라즈마 처리를 통한 접합 메커니즘의 개선을 다루며, 본 연구는 Cu/Polymer 하이브리드 본딩 기술이 반도체 업계의 고성능, 저전력 소자 개발에 기여할 수 있는 중요한 돌파구가 될 것임을 강조한다.
We propose nano-scale Cu direct bonding technology using ultra-high density Cu nano-pillar (CNP) with for high stacking yield exascale 2.5D/3D integration. We clarified the joining mechanism of nano-scale Cu direct bonding using CNP. Nano-scale Cu pillar easily bond with Cu electrode by re-crystallization of CNP due to the solid phase diffusion and by morphology change of CNP to minimize interfacial energy at relatively lower temperature and pressure compared to conventional micro-scale Cu direct bonding. We confirmed for the first time that 4.3 million electrodes per die are successfully connected in series with the joining yield of 100%. The joining resistance of CNP bundle with $80{\mu}m$ height is around 30 m for each pair of $10{\mu}m$ dia. electrode. Capacitance value of CNP bundle with $3{\mu}m$ length and $80{\mu}m$ height is around 0.6fF. Eye-diagram pattern shows no degradation even at 10Gbps data rate after the lamination of anisotropic conductive film.
차세대 전자 소자 기술에서 전력전달은 소자의 전력을 낮추고 발열로 인한 문제 해결을 위해서 매우 중요한 기술로 대두되고 있다. 본 연구에서는 직사각형 ABL 전력 범프를 이용한, Cu-to-Cu 플립 칩 본딩 공정의 신뢰성 문제에 대해 살펴보았다. 다이 내 범프 높이 차이는 전기도금 후 CMP 공정을 진행했을 경우 약 $0.3{\sim}0.5{\mu}m$ 이었고, CMP 공정을 진행하지 않았을 경우는 약 $1.1{\sim}1.4{\mu}m$으로 나타났다. 또한 면적이 큰 ABL 전력 범프가 입출력 범프 보다 높이가 높게 나타났다. 다이 내 범프 높이 차이로 인해 플립 칩 본딩 공정 시 misalignment 문제가 발생하였고, 이는 본딩 quality 에도 영향을 미쳤다. Cu-to-Cu 플립 칩 공정을 위해선 다이 내 범프 높이 균일도와 Cu 범프의 평탄도 조절이 매우 중요한 요소라 하겠다.
플립칩 접합시 발생하는 계면반응 거동과 접합특성을 계면에 생성되는 금속간화합물의 관점에서 접근하였다. 이를 위하여 Al/Cu와 Al/Ni의 under bump metallization(UBM) 층과 Sn-Cu계 솔더(Sn-3Cu, Sn-0.7Cu)와의 반응에 의한 금속간화합물의 형성거동 및 계면접합성을 분석하였다. Al/Cu UBM 상에서 Sn-0.7Cu 솔더를 리플로우한 경우에는 솔더/UBM 계면에서 금속간화합물이 형성되지 않았으며, Sn-3Cu를 리플로우한 경우에는 계면에서 생성된 $Cu_6Sn_5$ 금속간화합물이 spalling 되어 접합면이 분리되었다. 반면에 Al/Ni UBM 상에서 Sn-Cu계 솔더를 리플로우한 경우에는 0.7 wt% 및 3 wt%의 Cu 함량에 관계없이 $(Cu,Ni)_6Sn_5$ 금속간화합물이 계면에 형성되어 있었으며, 계면접합이 안정적으로 유지되었다.
A process map has been developed, which can identify the process conditions for weak mechanical bonding at the contact surface during the direct extrusion of a Cu-Ti bimetal wire bundle. Bonding mechanism between Cu and Ti is assumed as a cold pressure welding. Then, the plastic deformation at the contact zone causes mechanical bonding and a new bonding criterion fur pressure welding is developed as a function of the principal stretch ratio and normal pressure at the contact surface by analyzing micro local extrusion at the contact zone. The averaged deformation behavior of Cu-Ti bimetal wire is adopted as a constitutive behavior at a material point in the finite element analysis of Cu-Ti wire bundle extrusion. Various process conditions for bundle extrusions are examined. The deformation histories at the three points, near the surface, in the middle and near the center, in the cross section of a bundle are traced and the proposed new bonding criterion is applied to predict whether the mechanical bonding at the Cu-Ti contact surface happens. Finally, a process map for the direct extrusion of Cu-Ti bimetal wire bundle is proposed.
Three-dimensional integrated circuit (3D IC) technology has become increasingly important due to the demand for high system performance and functionality. We have evaluated the effect of Buffered oxide etch (BOE) on the interfacial bonding strength of Cu-Cu pattern direct bonding. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis of Cu surface revealed that Cu surface oxide layer was partially removed by BOE 2min. Two 8-inch Cu pattern wafers were bonded at $400^{\circ}C$ via the thermo-compression method. The interfacial adhesion energy of Cu-Cu bonding was quantitatively measured by the four-point bending method. After BOE 2min wet etching, the measured interfacial adhesion energies of pattern density for 0.06, 0.09, and 0.23 were $4.52J/m^2$, $5.06J/m^2$ and $3.42J/m^2$, respectively, which were lower than $5J/m^2$. Therefore, the effective removal of Cu surface oxide is critical to have reliable bonding quality of Cu pattern direct bonds.
Kang, Sung-Geun;Lee, Ji-Eun;Kim, Eun-Sol;Lim, Na-Eun;Kim, Soo-Hyung;Kim, Sung-Dong;Kim, Sarah Eun-Kyung
마이크로전자및패키징학회지
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제19권2호
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pp.29-33
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2012
The demand for 3D wafer level integration has been increasing significantly. Although many technical challenges of wafer stacking are still remaining, wafer stacking is a key technology for 3D integration due to a high volume manufacturing, smaller package size, low cost, and no need for known good die. Among several new process techniques Cu-to-Cu wafer bonding is the key process to be optimized for the high density and high performance IC manufacturing. In this study two main challenges for Cu-to-Cu wafer bonding were evaluated: misalignment and bond quality of bonded wafers. It is demonstrated that the misalignment in a bonded wafer was mainly due to a physical movement of spacer removal step and the bond quality was significantly dependent on Cu bump dishing and oxide erosion by Cu CMP.
The mechanical and electrical characteristics can be improved in 3D stacked IC technology which can accomplish the ultra-high integration by stacking more semiconductor chips within the limited package area through the Cu direct bonding method minimizing the performance degradation to the bonding surface to the inorganic compound or the oxide film etc. The surface was treated in a ultrasonic washer using a diamond abrasive to remove other component substances from the prepared cast plate substrate surface. FE-SEM was used to analyze the bonding characteristics of the bonded copper substrates, and the cross section of the bonded Cu conjugates at the sintering junction temperature of 100 ℃, 150 ℃, 200 ℃, 350 ℃ and the pressure of 2303 N/cm2 and 3087 N/cm2. At 2303 N/cm2, the good bonding of copper substrate was confirmed at 350 ℃, and at the increased pressure of 3087 N/cm2, the bonding condition of Cu was confirmed at low temperature junction temperature of 200 ℃. However, the recrystallization of Cu particles was observed due to increased pressure of 3087 N/cm2 and diffusion of Cu atoms at high temperature of 350 ℃, which can lead to degradation in semiconductor manufacturing.
In this study, the amorphous foil filler, thickness of 20 - $20~30\mu\textrm{m}$ was made to develop Cu-7.5wt%Mn-7.5wt%Si insert alloy(melting point temperature : solidus line 1003K, liquidus line 1070K). Liquid phase diffusion bonding of 304 stainless steels (STS304), is carried out successfully by using developed Cu-7.5Mn-7.5Si insert alloy. Bonding conditions are taken from bonding pressure of 5MPa, bonding temperatures from 1073K to 1423K varied within 50K and brazing holding times of 0, 30, 60 and 240 minutes. As the results, the tensile strength in the liquid phase diffusion bonding is a little bit lower than that in the solid phase diffusion bonding. The authors find out that the liquid phase diffusion bonding needs lower bonding pressure than the others. Therefore, the liquid phase diffusion bonding had an excellent brazability in which the bonding process showed the typical mechanism of diffusion bonding. In corresponding, the new developed insert alloy of low melting pointed Cu-7.5Mn-7.5Si makes possible brazing between the STS304.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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