A novel bumping material, which is composed of a resin and Sn3Ag0.5Cu (SAC305) solder power, has been developed for the maskless solder-on-pad technology of the fine-pitch flip-chip bonding. The functions of the resin are carrying solder powder and deoxidizing the oxide layer on the solder power for the bumping on the pad on the substrate. At the same time, it was designed to have minimal chemical reactions within the resin so that the cleaning process after the bumping on the pad can be achieved. With this material, the solder bump array was successfully formed with pitch of 150 ${\mu}m$ in one direction.
A novel bumping process using solder bump maker is developed for the maskless low-volume solder on pad (SoP) technology of fine-pitch flip chip bonding. The process includes two main steps: one is the aggregation of powdered solder on the metal pads on a substrate via an increase in temperature, and the other is the reflow of the deposited powder to form a low-volume SoP. Since the surface tension that exists when the solder is below its melting point is the major driving force of the solder deposit, only a small quantity of powdered solder adjacent to the pads can join the aggregation process to obtain a uniform, low-volume SoP array on the substrate, regardless of the pad configurations. Through this process, an SoP array on an organic substrate with a pitch of $130{\mu}m$ is successfully formed.
In order to rpovide proper SMT design criteria in a systematic way, a mathematical formulation has been developed to predict the configuration of the solder fillet formed between the gullwing type lead and rectangular pad. Effects of SMT design parameters such as the solder volume and pad dimension on the solder profile are investigated using the FEM that calculates the 3D configuration by minimizing the energy due to surface tension and gravity in the equilibrium state. Design criteria of QFP and SOP are illustrated by plotting the acceptable range of the solder volume with respect to the length and width ratios of the pad and lead. The results show that the acceptable design range increases with increase in the pad length and width. The pad length has more significant effects on design criteria compared with the pad width, and Bond number can be utilized to predict the joint quality.
A novel bumping process using solder bump maker (SBM) is developed for fine-pitch flip chip bonding. It features maskless screen printing process. A selective solder bumping mechanism without the mask is based on the material design of SBM. Maskless screen printing process can implement easily a fine-pitch, low-cost, and lead-free solder-on-pad (SoP) technology. Its another advantage is ternary or quaternary lead-free SoP can be formed easily. The process includes two main steps: one is the thermally activated aggregation of solder powder on the metal pads on a substrate and the other is the reflow of the deposited powder on the pads. Only a small quantity of solder powder adjacent to the pads can join the first step, so a quite uniform SoP array on the substrate can be easily obtained regardless of the pad configurations. Through this process, an SoP array on an organic substrate with a pitch of 130 ${\mu}m$ is, successfully, formed.
한국마이크로전자및패키징학회 2004년도 국제표면실장 및 인쇄회로기판 생산기자재전:전자패키지기술세미나
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pp.37-59
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2004
In the case of Ni/Au finished pad on the package side, the solder joint of SnAgCu system can bring brittle fracture under impact load such as drop test. Therefore, it's difficult to prevent the brittle fracture of lead-free solder, by controlling Cu content. The failure locus existing on the interface between $(Ni,Cu)_3Sn_4\;and\;(Cu,Ni)_6Sn_5$ IMC layers must be changed to other site in order to avoid brittle fracture due to impact load. It was not found any clear evidence that there were two IMC layers exist. But it was strongly assumed these were two layers which have different Cu-Ni composition. From the above analysis it was assumed that Cu atom in the solder alloy or substrate seemed to affect IMC composition and cause to IMC brittle fracture.
PCB와 BGA 패드의 형태가 무연솔더 접합부의 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하었다. 현재 BGA/PCB 패드의 형태는 NSMD (Non-Solder Mask Defined)와 SMD (Solder Mask Defined) 두 가지 구조로 형성되어 있다. 본 연구에서는 OSP 도금처리한 무연솔더(Sn-3.0Ag-0.5Cu, Sn-1.2Ag-0.5Cu)의 패드 형태를 NSMD, SMD로 달리하여 낙하충격시험, 굽힘충격시험, 고속전단시험을 통한 솔더 접합부의 기계적 특성을 연구하였다. 낙하충격과 굽힘충격시험의 경우 패드 구조에 따른 솔더볼 접합부의 특성수명은 동일한 경향을 나타내었으며, 솔더접합부의 기계적 특성은 SMD가 NSMD보다 우수하였다. 이 이유는 SMD의 경우 낙하충격 시험과 고속 전단시험 모두 IMC에서 파단이 일어난 반면에 NSMD의 경우 낙하충격 시험 후의 파단면은 패턴을 감싸고 있는 랜드 상단 모서리 부분에서 파단이 일어났기 때문인 것으로 판단된다. 전단시험의 경우에는 NSMD 접합부에서 패드 lift현상이 발생하였다. 따라서 BGA/PCB의 패드구조의 조합은 SMD/SMD > SMD/NSMD > NSMD/SMD > NSMD/NSMD 순으로 기계적 특성 수명이 우수하였다.
Novel low-volume solder-on-pad (SoP) process is proposed for a fine pitch Cu pillar bump interconnection. A novel solder bumping material (SBM) has been developed for the $60{\mu}m$ pitch SoP using screen printing process. SBM, which is composed of ternary Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) solder powder and a polymer resin, is a paste material to perform a fine-pitch SoP in place of the electroplating process. By optimizing the volumetric ratio of the resin, deoxidizing agent, and SAC305 solder powder; the oxide layers on the solder powder and Cu pads are successfully removed during the bumping process without additional treatment or equipment. The Si chip and substrate with daisy-chain pattern are fabricated to develop the fine pitch SoP process and evaluate the fine-pitch interconnection. The fabricated Si substrate has 6724 under bump metallization (UBM) with a $45{\mu}m$ diameter and $60{\mu}m$ pitch. The Si chip with Cu pillar bump is flip chip bonded with the SoP formed substrate using an underfill material with fluxing features. Using the fluxing underfill material is advantageous since it eliminates the flux cleaning process and capillary flow process of underfill. The optimized interconnection process has been validated by the electrical characterization of the daisy-chain pattern. This work is the first report on a successful operation of a fine-pitch SoP and micro bump interconnection using a screen printing process.
대한용접접합학회 2002년도 Proceedings of the International Welding/Joining Conference-Korea
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pp.469-474
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2002
Laser and hot air reflow soldering of PBGA solder ball was investigated. Experimental results showed that surface quality and shear strength of solder bumps reflowed by laser was superior than the solder bumps reflowed by hot air, and the microstructure inside the solder bumps reflowed by laser was much finer. Analysis on interfacial reaction showed that eutectic solder reacted with Au/Ni/Cu pad shortly after the solder was melted. Interface of solder bump reflowed by laser consists of a continuous AuSn$_4$ layer and remnant Au element. Needle-like AuSn$_4$ grew sidewise from interface, and then spread out to the entire interface region. A thin layer of Ni$_3$Sn$_4$ intermetallic compound was found at the interface of solder bump reflowed by hot air, AuSn$_4$ particles distributed inside the whole solder bump randomly. It is the combination effect of the continuous AuSn$_4$ layer and finer eutectic microstructure inside the solder bump reflowed by laser that resulted in higher shear strength.
Choi, Kwang-Seong;Lee, Haksun;Bae, Hyun-Cheol;Eom, Yong-Sung;Lee, Jin Ho
ETRI Journal
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제37권2호
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pp.387-394
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2015
A novel interconnection technology based on a 52InSn solder was developed for flexible display applications. The display industry is currently trying to develop a flexible display, and one of the crucial technologies for the implementation of a flexible display is to reduce the bonding process temperature to less than $150^{\circ}C$. InSn solder interconnection technology is proposed herein to reduce the electrical contact resistance and concurrently achieve a process temperature of less than $150^{\circ}C$. A solder bump maker (SBM) and fluxing underfill were developed for these purposes. SBM is a novel bumping material, and it is a mixture of a resin system and InSn solder powder. A maskless screen printing process was also developed using an SBM to reduce the cost of the bumping process. Fluxing underfill plays the role of a flux and an underfill concurrently to simplify the bonding process compared to a conventional flip-chip bonding using a capillary underfill material. Using an SBM and fluxing underfill, a $20{\mu}m$ pitch InSn solder SoP array on a glass substrate was successfully formed using a maskless screen printing process, and two glass substrates were bonded at $130^{\circ}C$.
대한용접접합학회 2002년도 Proceedings of the International Welding/Joining Conference-Korea
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pp.439-449
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2002
This paper reviews our recent research works on the interconnection technologies in electronic packaging and assembly. At the aspect of advanced joining methods, laser-ultrasonic fluxless soldering technology was proposed. The characteristic of this technology is that the oxide film was removed through the vibration excitated by high frequency laser change in the molten solder droplet. Application researches of laser soldering technology on solder bumping of BGA packages were carried out. Furthermore, interfacial reaction between SnPb eutectic solder and Au/Ni/Cu pad during laser reflow was analyzed. At the aspect of soldered joints' reliability, the system for predicting and analyzing SMT solder joint shape and reliability(PSAR) has been designed. Optimization design method of soldered joints' structure was brought forward after the investigation of fatigue failure of RC chip devices and BGA packages under temperature cyclic conditions with FEM analysis and experimental study. At the aspect of solder alloy design, alloy design method based on quantum was proposed. The macroproperties such as melting point, wettability and strength were described by the electron parameters. In this way, a great deal of the experimental investigations was replaced, so as to realize the design and research of any kinds of solder alloys with low cost and high efficiency.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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