MEMS 패키징에서 구리 Via 홀의 기계적 신뢰성에 관한 연구

Mechanical Reliability Issues of Copper Via Hole in MEMS Packaging

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.

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.