앰코인스토리 독자 여러분, 안녕하세요? 2016년의 마지막을 장식할 반도체 패키지 이야기를 하려고 합니다. 패키징의 숙명이기도 한, 더 작고 더 얇게, 하지만 더 싸게 만들기 위해 연말에도 엔지니어들의 노력은 계속되고 있습니다. 한두 개만 만든다면, 혹은 시간의 여유까지 있다면 작고 얇게 만드는 것도 어렵지 않은 일입니다. 하지만 더 싸게 만들려면 대량 생산이 필요하고 만드는 시간도 아주 짧아야 합니다. 이 모든 요구 조건을 만족하게 하려면 패키징의 공정마다 더 섬세하고 민감한 관리를 필요로 하는 등, 이전보다 더 높은 수준의 기술이 필요하겠지요. 자, 오늘은 그중에서도 몰딩(Molding) 공정에 관해 이야기를 해보려고 합니다.


패키지를 보호하는 EMC


패키지 공정 중에는 몰딩이 있습니다. 몰딩은 금이나 구리로 된 와이어 등이 충격에 손상되지 않도록 보호하는 역할을 하는데요, 갑자기 몰딩 공정을 꺼낸 이유는 앞에서 말한 더 작고 얇게, 그리고 더 싸게 만드는데 많은 고민이 필요한 공정이기 때문입니다. 몰딩에 사용하는 소재는 EMC (Epoxy Mold Compound)입니다. 전체 무게의 80% 내외는 필러, 즉 돌가루로 채워져 있고 나머지는 에폭시와 여러 화학약품이 포함되어 있습니다.


▲ 몰딩 공정 순서도 / EMC (Epoxy Mold Compound)

사진출처 : (좌) https://goo.gl/aSMB4z/(우)https://goo.gl/ofJCVM


몰딩 공정의 관건은 짧은 시간 안에 몰딩 금형 내부를 완전히 채우는 것입니다. EMC의 구성 성분량에 따라 EMC의 흐름성에 영향을 미칠 수 있습니다. 흐름성이 달라진다면, EMC가 다 채워지지 않고 부분적으로 채워지지 않는 미충진 (Incomplete mold) 불량이 발생할 수 있습니다. EMC의 흐름에 영향을 미치는 요소는 또 있습니다. 패키지가 점점 얇아지면서 EMC가 흘러갈 수 있는 공간도 점점 좁아지고, 간혹 공정이 다 끝났음에도 반도체 칩 일부가 노출되는 경우도 있습니다. 플립칩(Flipchip)은 언더필(underfill)이 필요한데 언더필 대신에 EMC로 한 번에 몰딩하는 경우도 있습니다. 그러면 플립칩 아래에 촘촘하게 배열된 범프들 사이로 EMC가 채워져야 합니다. 더 싸게 만들려면 한 번에 여러 개를 몰딩해야 하겠지요. 그러려면 패키지가 배열되는 기판의 크기도 점점 더 커져야 할 텐데, 몰딩 공정의 입장에서는 여러모로 어려운 일이 됩니다. 자, 이 모든 어려움을 극복하고 열심히 일을 하는 엔지니어들에게 박수 한 번 보내주셔야 할 것 같습니다.


컴퓨터를 활용한 EMC 흐름 예측


문제가 발생하면 실험 계획법을 작성해서 가능한 여러 수단을 적용해 문제를 해결할 수 있습니다. 하지만 시간이 곧 돈이고 촉박한 개발 기간 내에 빨리 해결하기 위해서는 컴퓨터를 통해 불량 발생 예측을 해 볼 수 있습니다. Mold Flow analysis라고 하여 최근에 SIP(System In Package)와 같은 복잡한 구조의 패키지에 EMC 몰딩 과정을 모사하고 불량을 예측하는 경우가 많아졌습니다. EMC의 물성을 구한 다음 실제 EMC가 채워질 회로기판 전체를 모델링하여 컴퓨터로 해석을 하게 됩니다. 말은 쉬운데 이것도 좀 손이 많이 가는 작업입니다. 우선 물성을 구하기가 참 어렵습니다. 탄성 계수나 열팽창계수와 같이 간단한 물성이 아니라 EMC의 점성(Viscosity)과 경화(Curing kinetics)와 관련된 물성이 필요합니다. 온도, 압력, 시간, 속도 등에 따라 달라지며 복잡한 수식을 통해서 최종 필요한 물성을 계산해 냅니다.


▲ 온도에 따른 점성 거동 / 온도에 따른 경화도 거동

이미지출처 : Moldex3D material Library


요즘은 회로기판 크기가 점점 커지다 보니 Mold flow 해석을 하는데 아주 좋은 성능의 컴퓨터를 사용하더라도 수십 시간이 소요되기도 합니다. 자 그렇다면 이런 수많은 어려움을 차치하고 Mold flow 분석을 했는데 어떤 결과를 기대할 수 있을까요?


우선, 첫 번째로는 미충진에 대해서 예측할 수 있습니다. 실제로 미충진 불량이 발생한 제품이 있었습니다. 여러 해결 방법을 모색하기 전에 먼저 Mold flow 해석을 통해 실제와 같이 불량이 발생하는지 확인해보았습니다. 결과로 위치와 크기가 거의 유사한 결과를 얻었습니다.


▲ 불량 발생 위치와 Simulation 결과 일치

이미지출처 : 앰코코리아 사내 자료


▲ EMC 흐름

이미지출처 : 앰코코리아 사내 자료


두 번째로 앞서 검증을 완료하였다면, 이후에는 EMC 소재를 바꾼다거나 패키지 설계 변경, 몰딩 공정 조건 변경 등을 통해 불량을 해결할 방법을 평가해볼 수 있습니다. Mold flow 해석을 통해 얻을 수 있는 가장 중요한 장점입니다. 굳이 실험을 해보지 않더라도 시간과 노력을 줄여서 문제를 해결할 수 있기 때문입니다. 요즘에는 문제가 생기기도 전에 제품 개발 단계에서 미리 해석해봅니다. 만약 조금이라도 불량의 위험이 있다면 곧바로 대응할 수 있는 대안을 미리 세우려는 이유이지요.


크리스마스와 연말에는 사랑하는 가족과 감사를 전하고픈 분들께 크고 작은 선물을 준비합니다. 이번에는 남편에게 큰마음 먹고 최신형 스마트폰을 선물해보려고 합니다. 매끈한 외형과 HD 영상을 볼 수 있는 넓은 화면, 가격은 비싸지만 선물을 받고 즐거워할 가족을 생각하며 큰 결심을 했습니다. 그런데 누구 눈에는 무엇만 보인다는 말이 있지요. 최신형의 얇고 가벼운 스마트폰을 보면, 거기에 녹아 있는 많은 엔지니어의 수고가 느껴집니다. 저렇게 작고 얇게 만들려고 얼마나 고생을 했을까요. 더 얇고 작게 만들어야 하지만 언제나 그렇듯 가격은 더 싸져야 한다는 압박까지 고스란히 견디면서, 올 한해를 수고한 우리 앰코가족들의 수고도 기억했습니다. 한 해 동안 모두 수고 많으셨습니다. (^_^)




WRITTEN BY 손은숙

건강하고 다재다능한 명품 패키지 개발을 주업으로, 울트라 캡 잔소리꾼이지만 때로는 허당 엄마를 부업으로, 하루하루를 열심히 사는 40대 꽃중년 아줌마입니다.




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안녕하세요? 무더운 여름이 지나고 아침저녁으로는 선선하다 못해 두꺼운 옷을 빨리 꺼내야 할 것 같은 가을이 성큼 다가왔습니다. 가을의 풍성함과 아름다움을 충분히 느끼고 싶지만 단풍은 금방 떨어질 것 같고, 얼마 지나지 않아 추운 겨울이 곧 다가올 것만 같습니다. 추위를 이겨내려고 보온 성능이 뛰어난 옷을 준비하고 찬바람이 들어오지 않도록 집 안 구석구석을 살피는 일도 곧 해야 할 것 같습니다. 추워지면 따뜻한 온기는 더할 나위 없이 반갑지만 우리가 늘 고민하는 패키지에서는 달갑지 않은 손님입니다.


시간이 지날수록 패키징 기술의 수준도 그 끝이 어디까지일까 할 만큼 많이 발전하고 있습니다. 더 작아지고 얇아졌지만 더 많은 기능을 더 빨리 구현해 내고 있습니다. 하지만 끝없이 달려가던 기술력도 패키지의 열 문제를 무시하지 못하게 되었습니다. 발열 문제는 단순히 뜨거워지는 문제를 넘어 전자제품의 성능을 좌우하고 안전까지도 영향을 미치게 되었습니다. 어떤 고객사는 야심 차게 출시한 AP (Application Processor)의 발열 문제로 최대 고객에게 제품 납품에 실패했고, 이후 급격한 실적 악화와 구조조정의 아픔을 겪어야만 했습니다. 이렇듯 발열 문제는 칩 설계에서부터 최종 제품 설계에 있어서 중요한 요인이 되었습니다. 칩을 만드는 고객뿐만 아니라 패키징을 하는 앰코에서도 어떻게 하면 발열 문제를 해결하는 데 도움이 될지를 같이 고민하고 있습니다. 그렇다면 패키지에서는 왜 열이 발생하고 어떻게 하면 발열 문제 해결에 도움이 될지, 한 번 알아보도록 하겠습니다.


▲ 스마트폰의 발열

사진출처 : https://goo.gl/iJis0j


패키지에 열이 발생하는 이유


반도체 패키지 내부에 있는 칩을 동작시키려면 솔더볼 혹은 리드를 통해 칩에 전류를 흘려줍니다. 중고등학교 다닐 때 물리 시간을 기억하시나요? 에너지(Watt)는 전압(Voltage, V)과 전류(Current, I)의 곱으로 표현됩니다. P=V×I, 전류를 흘려주면 패키지에는 에너지가 전달되는 셈입니다. 그리고 이 에너지는 또 다른 형태로 변환이 될 텐데요, 우리가 승용차에 휘발유를 주유하면 차가 움직일 수 있고 밤에는 어둠을 밝히려고 전조등을 켭니다. 가끔은 졸음을 깨우려 시끄러운 음악을 틀기도 하고 춥거나 더우면 히터와 에어컨을 켤 수도 있습니다. 휘발유가 여러 형태의 에너지로 변환되었습니다. 그렇다면 반도체 패키지는 어떤 종류의 에너지로 변환이 되었을까요? 설마 패키지 안에서 칩이 움직이거나 소리를 지르지는 않겠지요?


칩으로 흘러들어 간 전류는 트랜지스터를 작동시키지만 대부분 열에너지로 변환이 됩니다. 문헌을 보면 95% 이상, 대부분 열로 변환된다고 합니다. 그렇다면 뜨거워지지 않게 스마트폰을 쓰면 되겠지만 100만 원 가까이하는 스마트폰인데 전화나 문자만 보내고 있을 수는 없겠지요. 요즘 스마트폰은 과거에 데스크톱에서나 가능했던 기능들, 예컨대 3D 게임이나 요즘은 가상현실(virtual reality)까지도 구현이 되는데요, 그러려면 필요한 에너지도 많아지겠고 칩 온도도 같이 올라갈 수밖에 없습니다. 그래서 칩을 설계하는 고객들은 저전력으로도 작동할 수 있도록 설계하겠지만, 패키징에서도 온도를 낮출 방법들을 같이 고민하고 있습니다.

   

▲ 고성능 스마트폰 기기들

사진출처 : (좌)https://goo.gl/Ai0pxh/(우)https://goo.gl/mSnBPu


패키지에서 열은 어떻게 전달될까요?


칩을 작동시키면 패키지에서 열이 발생하고 그 열은 패키지가 실장된 보드와 공기 중으로 열이 전달됩니다. 패키지의 구조와 어떤 재료를 사용하느냐에 따라서 얼마나 열이 잘 전달될 수 있는지 결정됩니다. 열 전달이 가장 잘 되는 것은 보드를 통한 전도입니다. 강제로 바람을 불어주거나 외부의 냉각 장치를 부착하지 않는다면 보통 90% 이상의 열이 보드를 통해 방출됩니다.


▲ 패키지의 열 전달 구조


전기 저항처럼 패키지의 열 성능을 평가하는 열 저항이 있습니다. 패키지가 실장되는 곳은 천차만별입니다. 워크스테이션, 벽걸이TV와 같이 큰 제품에서부터 우리가 쓰고 있는 작고 얇은 스마트폰까지, 패키지 주변 환경에 따라 열 저항은 얼마든지 달라질 수 있습니다. 그래서 JEDEC(국제 반도체 공학 표준 협의기구)이라고 하는 곳에서 보드(Board)의 크기와 구성, 열 저항을 측정하는 챔버 등에 대해서 표준화를 했고, 그 규정에 따라 열 저항을 측정하게 됩니다. 가장 기본적인 것으로 Theta JA가 있습니다. 칩을 작동시켰을 때에 칩 온도와 패키지를 둘러싸고 있는 대기의 온도 차이를 칩에 인가한 Power로 나눈 값입니다. Theta JA를 사용하면 칩 온도를 예측하거나 혹은 사용할 수 있는 최대 Power도 예측할 수 있습니다.



또 다른 열 저항으로는 Theta JC가 있습니다. 예를 들어, 컴퓨터 본체를 열면 그 안에 무지막지하게 큰 히트 싱크(Heat sink)와 팬(Fan)이 보입니다. 컴퓨터는 잘 몰라도 CPU는 한 번씩 들어보셨을 텐데요, CPU 속도가 빨라야 컴퓨터가 버벅거리지 않는다는 것도 아시겠지요. 



▲ 패키지 열저항 온도 측정 위치 & CPU 히트싱크와 팬


CPU의 성능이 좋아지면서 그만큼 더 많은 전력을 소비하고 열이 발생합니다. 열을 강제로 식히려고 히트 싱크를 부착하고 팬으로 바람을 불어줍니다. 이럴 때는 패키지와 보드 사이보다는 패키지와 히트 싱크 사이에 저항을 줄이는 것이 더 효과적인데요, 칩과 히트 싱크가 부착되는 패키지 표면의 저항, Theta JC가 중요합니다. 낮을수록 히트싱크와 팬의 효율이 높아져서 결국 패키지의 온도를 가장 효과적으로 낮출 수 있습니다. (다음 호에 계속됩니다)




WRITTEN BY 손은숙

건강하고 다재다능한 명품 패키지 개발을 주업으로, 울트라 캡 잔소리꾼이지만 때로는 허당 엄마를 부업으로, 하루하루를 열심히 사는 40대 꽃중년 아줌마입니다.




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[건강한 반도체 이야기] 반도체 패키지 건강 검진항목, 3편


안녕하세요, 계절의 여왕 5월이 벌써 지나가고 있네요. 아쉽긴 하지만 나무들이 더욱 풍성한 푸른 옷으로 차려입고 여름맞이 채비를 하는 모습을 보면 이 또한 반갑지 아니한가요? 뭐든 즐겁게 살자고요! 이번 호는 지난 호에 이어 보드레벨 신뢰성에 대한 심화 과정을 해보겠습니다. 심화 과정에 앞서, 지난 호 내용을 잠깐 복습해 보면 보드레벨 솔더 접합부의 신뢰성 테스트를 왜 하는지, 어떤 종류의 신뢰성 테스트가 있는지, 실험을 하기 위해 시료가 갖추어야 할 요구조건과 실험을 진행하기 위해 어떤 절차로 어떻게 준비하는지 등등에 대해 설명해 드렸습니다.


보드레벨 신뢰성 조건을 구체적으로 설명하려면 그 사용처에 대한 이해가 먼저 필요합니다. 즉, 어떤 용도로 어떤 제품에 사용되느냐에 따라 테스트 조건이 달리 적용되고 있으니까요. 요즘 반도체 패키지 시장은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 크기가 15mm 정도 이하, 대략 1mm 두께 이하인 mobile application과 15mm 이상의 크기에 1mm보다 두꺼운 network 서버 application입니다. 물론 이외에도 자동차 전장부품인 Automotive application이나 각종 Sensor, IOT, Wearable application도 있습니다만, 반도체 제품 크기에 따라 보드레벨 신뢰성 테스트가 이뤄진다 해도 과언이 아니니, 편의상 이렇게 두 가지로 구분 지어 설명해 드리겠습니다. 


자, 이제 시료가 준비도 되고 어떤 목적에 쓰일 반도체 패키지인지 정리가 되었으니 본격적으로 테스트를 해볼까요? 

 

보드레벨 신뢰성 테스트 종류 및 application 별 조건 


1. Thermal cycling test (IPC9701)


패키지 레벨에서의 가장 중요한 신뢰성 항목이 고온 환경의 테스트인데, 보드레벨 솔더 접합 신뢰성 테스트에서도 가장 중요한 하중 조건이 thermal cycling test입니다. 즉, 고온부와 저온부로 반복적인 열 하중을 주어 솔더 접합 부분이 언제 파손이 일어나는지 알아보는 실험인데요, 아래 표1)을 보시면 IPC 9701 spec에 다섯 가지 조건이 규정되어 있습니다. 이 중 TC3 (-40C ~125C, 1 cycle/hr)가 mobile 제품군에, TC1 (0C~100C, 1.5cycle/hr)이 network server 제품군에 적용되는 대표 조건입니다. 물론 고객별로 위 표준 조건에서 약간씩 변경시킨 조건으로 실험하기도 합니다. 예를 들면, TC3 조건에서 125C 대신에 85C를 사용하기도 하고, 1cycle/hr 대신에 2cycles/hr로 바꾸기도 합니다. 아래 그림1)은 TC4 조건의 패키지가 TC chamber에서 패키지가 겪는 온도 프로파일입니다. 이러한 온도 환경에서 솔더가 균열이 생겨 저항이 증가하여 1000옴이 넘게 되면 그때의 cycle을 fail cycle로 간주합니다. 


▲ 표1) 보드레벨 thermal cycling test 조건


▲ 그림1) TC4, 2cycles/hr 조건의 시간에 따른 온도 프로파일

 

2. Mechanical Shock test (JESD22-B111) – Mobile application 


2000년 초반부터 휴대폰이나 디지털카메라, 캠코더 등의 mobile 기기들이 본격적으로 대중화되면서 보드레벨 솔더 접합 테스트 항목에 열 하중뿐만 아니라 충격 하중에 대한 평가가 중요하게 대두가 되었고, 수요가 급증하고 매우 중요한 평가항목으로 요구되었습니다. 아래 표2)를 보시면 여덟 가지 조건이 있는데 이 중에 B 조건 (1500G, 0.5ms)이 mobile application에서 적용되는 조건이고 C, D, E (100G ~340G) 조건이 network server application에 적용되는 조건입니다. 그럼 왜 다른 조건을 사용하는 걸까요?


아래 표2)에서 Equivalent drop height를 보면, B 조건은 사람이 휴대폰을 손에 들고 있다가 허리 정도 높이인 112cm 높이에서 제품을 떨어뜨렸을 때 반도체가 받는 순간 충격이 중력가속도의 1,500배에 해당하기 때문입니다. 반면, network server 제품은 mobile 제품처럼 사람이 들고 다니면서 사용하기보다는 한 곳에 고정하여 사용하므로 1m 정도 높이에서 떨어뜨릴 일은 거의 없고 대신 SMT 공정 중이거나 SMT 완료된 PCB 보드를 핸들링하다가 장비가 대략 10~30cm 정도 높이에서 떨어뜨릴 수도 있어서, 좀 더 낮은 G값을 갖는 C, D, E 조건을 적용하는 것입니다.

아래 그림2) 같은 Sine pulse의 충격이 가해지도록 조건을 잡고 그림3)과 같은 장비에 그림4)와 같은 패키지가 SMT 된 보드를 그림5)와 같이 올려놓고 불량이 날 때까지 계속 낙하시킵니다. 보통 불량 기준은 솔더 접합부의 초기 저항이 1000옴을 넘어가면 ‘불량’이라고 간주합니다. 샘플 사이즈 60개의 패키지에 대해 최소 50~63.2% 불량이 날 때까지 실험을 지속합니다. 때에 따라 1000drop을 해도 충분한 불량이 안 생길 때는 1000drop에서 멈추고 초기 불량 정도 결과로만 성능을 평가하기도 합니다. 


▲ 표2) Mechanical shock test 조건 

 

▲ 그림2) 충격 하중 하에서의 G값의 sine pulse 

 

▲ 그림3) Mechanical shock test 장비 모식도

 

▲ 그림4) Mobile application의 Shock test용 시편 

그림5) Drop table에 패키지가 아래 방향으로 향하게 세팅된 보드 

 

3. Mechanical Shock test – Network server application


Network server application의 큰 패키지는 C, D, E 조건을 사용하지만 mobile 조건과는 달리 각 C, D, E 조건에서 그림6의 빨간색 저항값이 fail로 간주합니다.


▲ 그림6) Mechanical shock test – C, D, E 조건에서 패키지의 저항값 및 보드 변형률


4. Cyclic bend test for mobile application


Cyclic bend test는 초창기 휴대폰이 터치방식이 아니라 손가락으로 꾹꾹 눌러주는 Key-press 방식이어서 이러한 사용환경을 모사하기 위해 개발이 되었습니다. 즉, 손가락으로 Key pad를 초당 2~3회 이상을 눌러주면 보드가 굽힘 하중을 받게 되고 그러한 굽힘 하중 하에서 솔더 접합부가 변형되는데, 지속적으로 수십만 번 반복된 굽힘 하중이 가해지면 솔더 접합 부분에 crack이 생기게 됩니다. 그림7)과 같이 SMT된 보드를 4-points 굽힘 하중을 받도록 세팅하여 1~3mm 정도 변형이 생기도록 1~3Hz의 frequency로 눌러줍니다. 반복적이고 지속적인 굽힘 하중에서 1000옴이 넘어가면 불량으로 간주하고 약 이십만 사이클까지 지속합니다. 그림8)을 보면 초기 수옴의 저항이 반복적인 굽힘 하중 하에서 수천 사이클을 지나면 저항이 증가하기 시작하는 것을 볼 수 있습니다. 


▲ 그림7) Cyclic bend test의 4-point bend 모식도

 

▲ 표3) Cyclic bend test 실험 조건

 

▲ 그림8) Cyclic bend test의 초기 저항 대비 실험 진행 중 저항 증가 


5. Monotonic bend test for network server application


Monotonic bend test는 mobile application 용도의 cyclic bend test와 달리 Network server application에서 Shock test처럼 SMT 보드를 핸들링하다가 충격을 줄 수도 있지만 갑작스러운 굽힘이 발생할 수 있기에 이러한 작업 환경을 모사하기 위해 개발되었습니다. 그래서 그림9)과 같이 설치하고 cyclic bend는 수 mm의 변형을 반복적으로 준다면 이 Monotonic bend는 한 번에 solder가 crack이 생길 때까지 계속 변형을 주어 구부려 줍니다. 그럼 그림10)과 같이 솔더 crack이 발생하면서 저항이 증가하게 되고, 이때 보드 굽힘 변형률도 함께 측정합니다. 즉, 어느 정도의 보드 굽힘에서 솔더 접합부가 균열이 나는지를 평가한다고 볼 수 있습니다. 


▲ 그림9) Monotonic bend test의 4-points 모식도


▲ 그림10) Monotonic bend test의 초기 저항 대비 굽힘 하중 하에서 저항증가와 보드변형률

 

불량 판정 기준


불량 판정 기준은 보통 절대적인 값으로 실험 중 저항이 1000 옴이 넘거나 혹은 때에 따라서는 상대적으로 초기 저항의 20% 가 넘으면 불량으로 간주하기도 합니다. 보통 전자의 1000옴을 기준으로 불량 판정합니다. 


통계 분석 (Weibull plot)


보통 보드레벨 테스트는 작게는 30개, 많게는 60개의 샘플 사이즈를 가지고 실험하고, 각 패키지당 불량이 발생한 수명을 얻게 됩니다. 얻게 된 수명을 아래 그림11)과 같이 X축에 불량수명(불량 cycle or drop)을 표시하고 Y 축은 전체 시료의 누적 불량률을 표현합니다. 이러한 수명을 Weibull plot을 이용하여 그리게 되면, 초기 failure, mean failure (50%), characteristic failure (63.2%) 값들을 통계적으로 알 수 있습니다. 


▲ 그림11) 통계분석을 위한 Weibull plot


불량 모드 및 불량 분석


보드레벨 신뢰성 테스트를 하면 아래 그림12)과 같이 다섯 가지 전형적인 불량모드가 발생합니다. 일반적으로 솔더 내부의 균열이나 metal pad와 솔더 접합면에서의 생성되는 IMC (Inter-Metallic Compound) 계면에서의 균열이 발생하는데, 이러한 불량을 Dye&Pry라는 방법과 X-section이라는 두 가지 방법을 이용해 분석합니다. Dye&Pry 방법은 불량 난 패키지를 빨간색 잉크에 담그면 균열 난 계면에 잉크가 침투하게 되고 보드와 패키지를 분리하게 되면 패키지 평면상으로 어떤 솔더 접합부가 취약한지 위치와 균열 양상을 쉽게 알 수 있고, X-section 방법은 솔더의 수직 단면에서 어느 계면이 취약한지 알 수 있습니다. 


▲ 그림12) 전형적인 보드레벨 솔더 접합부의 불량 모드 

 

▲ 그림13) 불량 분석 사진 예

 

이상으로 여러 하중 조건에서 보드레벨 솔더 접합부의 신뢰성 평가하는 방법을 구체적으로 알아보았습니다. 자 이러한 정형화된 테스트 방법으로 패키지 종류나 크기나 두께, 패키지에 사용되는 재료들, 특히 솔더 합금 종류, 솔더가 접합되는 메탈 표면 재료 등등에 대해 실험하여 각 패키지의 열적 하중, 기계적 충격 하중, 굽힘 하중 상황에서의 솔더 접합부의 수명이나 성능을 평가하고 개선합니다.


어떠세요? 도움이 되셨는지 궁금하네요. 좀 생소한 분야의 신뢰성 테스트일 수 있는데요, 잘 이해가 안 되거나 궁금하신 부분은 댓글로 질문해 주시면 성심성의껏 답변 드리겠습니다.




WRITTEN BY 손은숙

건강하고 다재다능한 명품 패키지 개발을 주업으로, 울트라 캡 잔소리꾼이지만 때로는 허당 엄마를 부업으로, 하루하루를 열심히 사는 40대 꽃중년 아줌마입니다.




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  1. 애독자 2016.06.01 13:25 신고 Address Modify/Delete Reply

    이번달도 잘 읽고 갑니다.
    drop test시 땅땅 떨어지는 그 굉음을 들을 수 있다면 좀 더 효과적이지 않을까 합니다.
    우리가 말로만 drop test drop test하지만 그 떨어지는 소리를 한 번 들으면 drop test에 대해 다시 생각해보지 않을까 합니다.


[건강한 반도체 이야기] 반도체 패키지 건강 검진항목, 2편


이번 달의 제목은 보시는 바와 같이 ‘추가 건강 검진항목’입니다. 사람도 건강 검진을 받고 필수는 아니지만 개인 상황에 따라 필요할 때에는 추가로 더 검사하게 됩니다. 예를 들어, 심각한 소음에 노출된 환경에 근무하시는 분들은 일반 청력검사가 아닌, 좀 더 정밀검사를 해야 하듯이 말이지요. 반도체 패키지에서는 보드레벨 신뢰성이 이러한 추가 건강 검진항목에 해당한다고 생각하면 될 것 같습니다. 그런데 사실 mobile application device가 반도체 시장(market)에 중요한 부분을 차지하게 된 2005년 이후로는 더는 추가가 아닌 필수 평가 항목으로 자리 잡아 가고 있는 실정입니다.


보드레벨 솔더 접합부 신뢰성 테스트 


자, 그럼 보드레벨의 어떤 항목을 평가할까요? 이미 눈치채셨겠지만 패키지는 그 자체로는 존재 의미가 없습니다. 주변 패키지와 상호 전기적 신호를 주고받음으로써 최종적인 전자제품의 기능을 할 수 있으려면 패키지는 반드시 보드에 실장해야 하지요. ‘패키지를 보드에 실장한다’는 것은 패키지의 신호 단자를 보드의 전송 선을 따라 다른 패키지의 신호 단자와 전기적으로 연결을 시키는 것이 ‘실장’인데요, 전기적으로 연결되는 부분이 리드 프레임(Lead frame) 패키지는 Cu lead이고 래미네이트(Laminated) 패키지는 솔더 볼(Solder ball)이 그 역할을 합니다. 접합 재료는 SnPb 합금인 Eutetic solder를 사용하다가 Pb가 환경규제물질로 정해지면서 Pb (Lead) free solder 재료가 주로 사용됩니다.


  • Trough hole type


  • Cu lead type ( J type, Gull type, MLF type )


  • Laminate 패키지 ( BGA / LGA )

▲ 다양한 패키지 보드간 대표적인 interconnection 형상


패키지 레벨 솔더 접합부 강도 테스트


보드레벨 솔더(solder) 접합부의 신뢰성 테스트를 하려면, 여러 가지 준비할 사항이 많고 비용도 많이 들어갑니다. (준비사항 및 필요한 실험장비에 대해서는 뒤에 다시 설명해 드릴게요) 그렇다 보니 BGA 패키지는 간단하게 패키지 레벨에서 솔더 볼(solder ball)이 서브스트레이트(substrate)에 잘 접합해 있는지 확인하는 방법이 있습니다. Ball shear / Ball pull test라고 부르는데요, 솔더 볼(solder ball)을 아래와 같은 방법으로 옆으로 밀거나 수직 방향으로 잡아당겨서 적당한 수준의 breaking force 값 이상을 가져야 하고, 볼(Ball)이 떨어져 나간 파단 면이 솔더(solder)여야 합니다. 간혹 파단 면이 솔더(solder) 내부가 아닌 메탈(metal) 면과 떨어질 수 있는데, 아래 표시한 대로 노출된 메탈 면적이 25% 이상이면 실패(fail)로 간주합니다. 


패키지가 점점 작고 얇아 지면서 BGA ball pitch도 0.5mm에서 0.4mm, 더 나아가 0.3mm로 줄어드는 경향이 있고, BGA ball 크기도 300㎛에서 180㎛로 점점 작아지다 보니, Ball pull test는 어려워서 주로 Ball shear test를 진행합니다. 


▲ 패키지 레벨 솔더 접합부 강도 테스트 종류


▲ 불량 모드별 합격 / 불합격 기준


보드 레벨 솔더 접합부 신뢰성 (수명) 테스트 종류


보드레벨 솔더 접합부의 신뢰성 테스트에는 크게는 아래와 같이 세 가지 종류가 있습니다. 패키지 레벨에서와 같은 열충격 조건, Mobile application device를 사용하다가 떨어뜨렸을 때의 낙하 충격 조건, 보드의 굽힘 하중 조건 등이 있습니다. 아래와 같이, 하중조건별 솔더(solder) 접합부에 가해지는 변형의 소스(source)와 불량 모드, 불량 메커니즘을 정리해 보았습니다.


▲ 보드레벨 신뢰성 테스트 종류 및 불량 모드 / 불량 메커니즘


보드레벨 신뢰성 테스트 절차


전반부에서 보드레벨 신뢰성 테스트를 하기 위해서는 준비할 사항도 많고 비용도 많이 든다고 말씀드렸지요. 그 전체적인 절차를 한눈에 보실 수 있도록 아래와 같이 순서도를 첨부해 보았습니다. 대략적으로는 패키지 및 보드 시료 준비 > SMT > 각종 보드레벨 신뢰성 테스트 진행 > 불량 수명에 대한 통계 분석 > 불량 모드 분석 > 최종 report 등의 순서로 진행합니다. 보시는 바와 같이 절차도 복잡하고 패키지 및 보드 디자인 및 보드 구매까지 준비해야 하는 사항도 많을 뿐만 아니라, TC 1000 cycle 같은 건은 최소 두 달 이상이 걸리기 때문에 실험계획 단계부터 마지막 결과 정리까지 3개월 이상이 걸립니다. 그래서 때에 따라서는 TC 3000 cycle 이상을 요청했을 때 1년 가까이 실험을 진행하는 사례도 종종 있곤 하지요.


▲ 보드레벨 신뢰성 테스트 절차 


보드레벨 신뢰성 실험을 위한 시료 제작에 필요한 요구 조건


1. 테스트용 보드 요구조건 : 각 패키지의 솔더 접합부 신뢰성은 패키지 및 사용하는 접합부의 재료나 형상뿐만 아니라 보드의 기계적 물성, 형상, 메탈(metal) 표면 특성 등에 밀접한 관계가 있으므로, 패키지의 보드레벨 성능을 보기 위해서는 표준화된 보드를 사용해야 합니다. JEDEC 규정을 보면 실제 application 별로 주로 사용되는 보드의 특성에 맞게 패키지 크기에 따라 보드 두께, Cu layer 수, 재료 측면에서의 기계적, 열적 특성, 접합이 되는 메탈 형상 및 조건 등이 자세히 나와 있습니다. 이렇게 보드를 규격화 해야만 실제 패키지 종류에 따른 성능을 상대적으로 평가할 수 있게 됩니다. 


2. Daisy chain으로 설계된 패키지와 보드 : 솔더 접합부의 신뢰성을 평가하기 위해서는 특별히 설계된 패키지와 보드가 필요합니다. 솔더 접합부의 신뢰성을 평가한다는 것은 수명을 평가한다고도 말합니다. 즉, 신뢰성 평가는 평가하기 위해 정해진 일정 시간이 지난 후의 불량 유무를 판별한다면 수명은 과연 언제 불량이 발생하는지 평가하므로, 패키지의 모든 솔더 접합부분들을 아래 그림들에서처럼 모두 전기적으로 연결할 수 있는 daisy chain 구조의 패키지와 보드가 필요하며, 전기적으로 모두 연결된 솔더 접합부의 전기 저항을 실험 동안 계속 측정함으로써, 불량이 언제 발생했는지 수명을 알 수 있습니다.


3. 솔더 접합부의 저항을 측정할 수 있는 DVM data acquisition 장비

4. 각종 하중 조건을 인가할 수 있는 장비


▲ Daisy chain top view 모식도 


▲ 패키지 보드 간 Daisy chain 단면 모식도 


지금까지 여러 가지 이야기를 했는데 소개 정도밖에 안 되었네요. ^^ 다음 달에는 TC, Drop, Bending 하중 조건에 대한 자세한 설명과, 불량 모드, 불량 분석 방법, 통계분석 방법 등등에 대해 자세히 더 설명해 드리려 합니다.




WRITTEN BY 손은숙

건강하고 다재다능한 명품 패키지 개발을 주업으로, 울트라 캡 잔소리꾼이지만 때로는 허당 엄마를 부업으로, 하루하루를 열심히 사는 40대 꽃중년 아줌마입니다.




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[건강한 반도체 이야기] 반도체 패키지 건강 검진항목, 1편


요즘 여기저기 봄을 만끽할 수 있는 연노란 산수유, 샛노란 개나리, 연분홍 진달래, 우유 빛깔 목련, 하얀 벚꽃, 매화 등등의 예쁜 꽃들이 피어 나는 걸 보며 진짜 봄이 왔다는 걸 시각적으로 느낍니다. 독자분들은 혹시 아시나요? 위에 언급한 꽃들의 공통점을요. ”예쁘다?” 음, 전형적인 문과생 성향이신 듯하군요. 이과생이라면 다른 답변을 하실 거라 믿습니다. 그렇다면 뭘까요? 이거 지면이라 들을 수도 없네요. ^^ 저도 몰랐는데 제 아이가 초등학교 1학년 때 「슬기로운 생활」에서 배우더군요. (슬기로운 생활은 초등학교 저학년이 배우는 일종의 과학 교과서입니다) 정답은 “푸른 잎보다 꽃이 먼저 핀다.”입니다.


과학적으로 관찰적 사실에 근거한 공통점, 맞지요? 봄이 왔다는 걸 하루라도 빨리 알려주기 위해 나뭇가지에 푸른 잎이 돋아나기도 전, 꽃망울부터 맺고 꽃을 피워 봄소식을 알려주는 사랑스러운 봄꽃들. 이 봄꽃들은 꽃이 다 지고 나서야 그 자리에 푸른 잎들이 돋아난답니다. 그런데 왜 갑자기 꽃 타령이냐고요? 처음 과학이라는 걸 접하는 초등학교 1학년 학생들에게 사물을 바라보는 과학적 시각을 키워 줄 수 있는 것 같아 참 신선하게 다가왔던 내용이라, 함께 여러분과 공유하고 싶었습니다. 이번 달에는 ‘무병장수하는 반도체 패키지 이야기’라 그림이 두 컷에 글밥이 많아 내용이 다소 딱딱해 보이네요. 중간중간에 봄꽃 사진이라도 삽화로 넣어볼까 합니다.


자, 이제 시작해 볼까요? 지난달에는 ‘수분을 싫어하는 반도체 패키지’에 대해 살펴보았고, 이번 달에는 반도체 패키지가 실제 사용환경 아래에서 무병장수하기 위한 건강검진항목들을 살펴보겠습니다. 우리 독자들도 1년에 한 번씩 건강검진을 받으시지요? 건강검진항목을 보면 정말 다양한 항목들이 많다는 것을 아실 겁니다. 그중에는 키, 몸무게, 시력, 청력, 비만도, 혈액검사, 소변검사, X-ray 등과 같은 기본항목이 있는가 하면, 사람에 따라 염려되는 신체 부위 및 질병에 따라 선택적으로 받는 위내시경, 장내시경, 복부초음파, 심장초음파, 심전도 검사 등등의 추가항목이 있고, 검사항목별 건강과 이상 여부를 판정하는 기준들이 있습니다. 반도체 패키지도 기본적으로 검사하는 항목과 기준이 있고, 사용환경 및 어떤 제품에 사용하느냐에 따라 특별 요청으로 진행되는 검사항목들이 있습니다.


기본 신뢰성 테스트항목


제품개발단계나 대량생산하는 데 있어 새로운 구조나 재료 선정, 프로세스 등이 최적화되었는지 패키지 레벨로 확인하는, 가장 기본이 되는 검사항목들을 살펴보면 아래와 같습니다.

 

  • TCT (Thermal Cycling Test) 
  • THT (Temperature / Humidity Test) 
  • HAST (Highly Accelerated Stress Test) 
  • HTST (High Temperature Storage Test) 


기본 검사항목들의 내용을 이해하기 위해서는 실제 반도체 패키지가 보드에 실장된 후 어떤 상황에 놓이는가를 살펴볼 필요가 있습니다. 반도체 패키지는 기본적으로 IC chip을 동작시키기 위한 전압과 전류가 흐르면서 IC chip 자체에서 열이 발생하게 되어 패키지의 내부 온도가 올라갑니다. 즉, 반도체 패키지의 수명은 항상 열과 떼려야 뗄 수 없기에 발생하는 열에 대한 기계적, 전기적 신뢰성이 어떠한지 검사해야 하지요. 그래서 위에 언급한 기본항목의 이름이나 조건을 보면 모두 ‘Thermal’ 혹은 ‘Temperature’ 등의 온도에 관한 용어가 들어가며, 일정 고온 조건에서 테스트해서 양/불량을 검사합니다. 자, 하나씩 자세히 살펴볼까요?


▲ 신뢰성 테스트 종류별 온 / 습도 조건 및 Duration Time


TCT (Thermal Cycling Test)


TCT 테스트는 제품 구동 on/off 상황에서 패키지 내부 온도가 올라가거나 내려가는 것뿐만 아니라, 반도체 패키지가 사용되는 사용환경이 영하의 겨울인지, 40도 이상의 여름인지, 혹은 사용되는 지역이 추운 시베리아인지, 뜨거운 적도 근처인지 등의 외부환경에 따라서도 반복되는 고온과 저온 상황을 경험하게 됩니다. 이러한 반복되는 고온-저온에 노출되면 패키지에 사용되는 재료의 열팽창계수가 달라서 위로 불룩하거나 아래로 불룩한 변형(Warpage라고 부름)을 반복적으로 하게 되어 계면 박리나 크랙 등과 같은 불량이 생길 수 있고, 그러한 물리적 결함이 전기적인 신호 path인 solder나 wire interconnection 접합 부분에 과도한 스트레스를 유발해 떨어지게 하여 전기적으로 open 불량이 생기게 됩니다. 이러한 반복되는 고온-저온 노출 실험을 TCT라고 합니다. 가장 범용으로 사용하는 온도 조건은 condition B (-55C / + 125C)와 condition C (-65C / 150C)이며, 각각 1000 cycle, 500 cycle을 가해서 규정하는 criteria 범위 내에서 패키지 내 외부 기계적 결함 없어야 하고 전기적 Open/Short test에서 pass 해야 합니다. Condition B는 주로 Substrate를 이용하는 laminated product에, 좀 더 온도 구간 폭이 넓은 condition C는 Cu metal lead frame을 사용하는 L/F product에 적용합니다.


THT (Temperature / Humidity Test)


지난달에 온도-습도 조건에 따른 MRT level test를 소개해 드렸는데요, 목적 및 MRT level 별 조건 및 의미, 다 잊으신 건 아니겠지요? Level 1 조건이 85%/85C에 168hrs이었습니다. 168hrs이 보드실장을 위한 storage/shipping 기간에 해당하는 시간이었다면, 같은 Level 1 온습도 조건에 1000hrs로 장기간 노출한 뒤 TCT와 같이 내외부 기계적, 전기적 결함 없이 pass 해야 합니다. TCT 와 다른 것은 습도 조건이 병행되기 때문에 moisture에 따른 패키지 내 금속 접합부의 Metal Ion Migration 유무에 의한 leakage 불량이나 산화에 따른 High Resistance, open 불량 유무도 평가할 수 있습니다.


HAST (Highly Accelerated Stress Test) 


HAST 테스트는 위에서 설명한 THT 테스트가 1000hrs이 소요되는 조건이라, 날짜로 따지면 대략 42일이 걸리고 그 후에나 신뢰성 결과를 알 수 있습니다. 요즘처럼 6개월 혹은 3개월 만에 신제품들이 시장에 나오는 상황에서 신뢰성 테스트 만을 위해 한 달 반이 걸린다는 것은 비효율적이겠지요? 그래서 85%/85C 조건에서 온도만 더 높여 130C/85%로 가속화시키고 96hrs으로 시간을 단축하여 테스트합니다. 96hrs면 4일에 해당하기 때문에 한 달 반이 길 때는 THT 대신에 HAST를 선호합니다. 평가 내용은 THT와 동일합니다.


HTST (High Temperature Storage Test) 


HTST는 150C 고온에서 1000hrs 동안 노출함으로써 패키지 내부 다양한 이종금속재료 접합부의 IMC (Inter-Metallic Compound) 성장 특성 및 IMC 성장에 따른 접합부의 기계적, 전기적 성능을 평가합니다. 대표적인 이종 금속 재료 접합은 Gold, Silver, Copper 등의 Wire와 Al metal pad 접합, 혹은 Eutectic/Lead Free C4 bump와 Cu Trace 간 접합이 있습니다.


사용환경에 따른 신뢰성 테스트항목


위 기본 조건에 실제 사용환경을 더 반영하거나 좀 더 가속화해서 진행하는 신뢰성 테스트 항목들은 아래와 같습니다.


  • TST (Thermal Shock Test) 
  • BHAST (Biased Highly Accelerated Stress Test) 
  • PCT (Pressure Cooker Test) 


▲ 사용환경에 따른 가속 조건의 신뢰성 테스트 종류별 조건 및 Duration Time


TST (Thermal Shock Test)

TST 테스트는 TCT 테스트가 Air to Air 환경이지만, Liquid to Liquid로 고온-저온부로의 온도변화를 20초 이내로 규정하고 있어 단시간 내 최악의 열충격을 주어 패키지의 기계적, 전기적 신뢰성을 평가합니다.


BHAST (Biased Highly Accelerated Stress Test)

BHAST는 HAST 조건에 온습도뿐만 아니라 실제 디바이스의 동작 전압을 인가하여 패키지의 성능을 평가합니다. 기본 신뢰성 항목처럼 BHAST도 주로 많이 테스트하는 항목입니다.


PCT (Pressure Cooker Test)

PCT 테스트는 온도뿐만 아니라 100% RH 습도 상황에서 패키지 내부로 최대한 수분을 침투시키기 위해 대기압의 2배에 해당하는 가압 챔버에 패키지를 넣어 실험합니다. 기계적, 전기적 뿐만 아니라 수분에 의한 metal corrosion, dendrite growth 등을 평가합니다. 주로 Laminated product보다는 L/F product에 적용합니다.


이 이외에도 온도, 습도, DC bias 인가, power cycling 등등의 기본 조건들을 두세 개 이상의 조합하여 실제 사용환경과 가장 근접하게 테스트하는 항목들도 많이 있습니다. 그리고 고객에 따라 위 JEDEC 조건이 아닌 고객사의 Specific 조건으로 실험하고 진행하는 때도 많습니다.


제품 application에 따른 구분 및 추가 신뢰성 테스트항목


제품의 사용환경이나 Application 별로 아래와 같은 신뢰성 항목들이 추가될 수 있답니다.


  • 휴대용 전자제품 : Drop test, Bend test
  • Network server / Graphic 카드전자제품 : Bend test, Shock test 
  • 자동차 전자제품 : Vibration test, Power cycling test, 고온, 수천 시간의 장시간 테스트


자, 이번 달에는 패키지 레벨에서의 다양한 조건별 기계적, 전기적 신뢰성 검사항목들을 살펴보았습니다. 이 테스트항목들을 모두 통과한다면 그 패키지는 무병장수한다고 볼 수 있겠지요? 다음 달에는 패키지를 실제 보드에 실장한 상황인 보드레벨 신뢰성 검사항목들을 살펴보겠습니다.


[참고 문헌] 각 신뢰성 테스트항목별 JEDEC Spec# 


추가로 자세히 더 공부하고 싶은 독자들을 위해 각 신뢰성 항목별 JEDEC spec#를 적어 보았습니다. 인터넷에서 찾아보거나 JEDEC 사이트에 회원가입하시면 무료로 다운받을 수 있으니 참고하세요~!


  • TCT (Thermal Cycling Test) JESD22-A104
  • TST (Thermal Shock Test) JESD22-A106
  • THT (Temperature / Humidity Test) J-STD-020D.1
  • HAST (Highly Accelerated Stress Test) JESD22-A110 
  • BHAST (Biased Highly Accelerated Stress Test) JESD22-A101
  • HTST (High Temperature Storage Test) JESD22-A103 
  • PCT (Pressure Cooker Test) JESD22-A102




WRITTEN BY 손은숙

건강하고 다재다능한 명품 패키지 개발을 주업으로, 울트라 캡 잔소리꾼이지만 때로는 허당 엄마를 부업으로, 하루하루를 열심히 사는 40대 꽃중년 아줌마입니다.




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[건강한 반도체 이야기] 수분을 싫어하는 반도체 패키지


사람들은 요즘처럼 건조한 겨울 날씨에 피부가 노출되면 거칠어지고 심지어 가렵기까지 하여 수분을 보충해 줄 수 있는 기능성 화장품을 쓰거나 평소 물을 많이 먹음으로써 건강한 피부를 유지하기 위해 노력합니다. 그러나 반도체 패키지는 사람과는 달리 수분을 아주 싫어한답니다. 얼마 전에는 겨울 가뭄을 해갈하는 반가운 비가 많이 왔었는데요, 비록 수분을 싫어하는 패키지를 생각하면 미안하지만 비는 와야겠지요. 그럼, 수분을 많이 흡습해도 문제가 없는 건강한 패키지를 개발하면 되겠다는 생각을 하게 됩니다.


패키지가 왜 수분을 싫어할까요?


Si IC chip을 둘러싸고 있는 검은 색의 EMC (Epoxy Molding Compound) 수지는 패키징 완료 후 테스트(Test)하기 위해 이동하는 과정, 고객사나 표면실장 전문업체에 전달되는 과정, 표면실장 되기 전 store에 보관되는 동안 대기 중에 있는 수분을 흡수합니다. 흡수된 수분은 점점 EMC 수지 깊숙하게 침투하여 EMC 수지와 접촉하는 IC chip 표면 위나 LF pad 뒷면, Laminated PCB 계면 위에 모이게 됩니다. 계면에 모인 수분은 패키지가 PCB 보드에 실장될 때 사용하는 솔더 종류에 따라 235~260℃ 열을 가하게 되는데, 이때 계면에 응축된 수분은 EMC와 Si chip의 접착력을 낮출 뿐만 아니라 100℃ 이상이 되면 기화되면서 증기압을 발생시켜 계면박리현상 및 패키지 crack 불량을 일으킬 수 있습니다.


▲ 완성된 패키지가 표면실장 전 이동하는 경로


▲ 표면실장 된 보드가 보이는 전자기기 내부 모습


▲ 수분 흡습에 의한 SMT 과정 중 계면 박리나 패키지 내외부 crack 불량 발생 사진 

(열을 가하면 팝콘처럼 터진다고 해서 ‘팝콘 현상’이라고도 부릅니다)


표면실장 시 흡습한 수분으로 패키지에 불량이 발생하게 되면?


자, 이렇게 흡습한 수분에 의한 패키지가 불량이 발생하게 되면 어떻게 될까요? 하나의 불량 패키지로 인해 전체 시스템 보드가 불량이 되고 맙니다. 그렇다면 고객사 입장에서는 보드에 실장되어 있는 수많은 다른 패키지와 함께 값비싼 보드 전체를 못 쓰게 되니 큰 손해가 발생합니다. 물론 전체 다 버릴 수 없으니 부분적으로 불량난 패키지만 떼어 내고 다시 패키지를 실장하는 rework을 하기도 합니다. 그러나 rework을 하면 비싼 패키지를 더 사용해야 하고 공정 비용이 증가 때문에 선호하지는 않겠지요. 그래서 이러한 패키지의 수분 흡습에 따른 불량 발생 정도를 평가하기 위해 JEDEC에서는 MSL (Moisture Sensitivity Level)을 정하고 패키징 업체가 국제 표준에 맞추어 생산한 패키지가 얼마나 수분 저항성을 가졌는지 그 레벨을 고객에게 제시해야 합니다. 참고로, MSL Test는 아래와 같이 여러 가지 다른 이름으로도 불립니다.


✔ MRT (Moisture Resistance Test)

✔ Pre-conditioning test

✔ Short term reliability test


Moisture Sensitivity Level? 운송된 패키지는 언제 표면실장 해야 할까?


아래 그림에서 보는 것처럼 MSL은 총 8 Level로 규정되어 있습니다. 자, 먼저 이 표를 보는 방법을 살펴볼까요? 가장 우수한 성능을 보이는 Level 1으로 설명해 볼게요. 패키지를 85℃ 온도와 85% 상대습도를 갖는 TH (Temperature/Humidity) Chamber에 168시간 동안 수분을 흡습하게 하고 표면실장 공정을 진행한 후 불량이 발생하지 않았다면 Level 1 수준의 수분 저항성을 가진다고 할 수 있습니다. 이러한 Level 1 패키지는 30℃/85% RH 환경에서도 시간의 제한 없이 포장 개봉 후 언제든지 표면실장을 해도 불량이 발생하지 않는다는 것을 의미합니다.

음, 2% 부족한가요? 그럼 Level 3 조건으로 다시 보겠습니다. 30℃ 온도와 60% 상대습도 환경에 192시간 동안 노출한 패키지가 불량이 발생하지 않았다면, 30℃/60% RH 환경에서 개봉했을 때 168시간 이내에 표면실장을 진행해야 불량이 발생하지 않습니다. 곧, 그 이상의 시간이 지나서 실장하게 되면 불량이 발생하더라도 패키지 업체는 그 불량에 책임이 없다는 것을 의미합니다. 즉, Level 1 패키지가 가장 우수한 패키지이며 Level 2, 3, 4로 내려갈수록 성능은 낮아지며, 수분 영향으로 표면실장 시간을 제한해야만 하는 패키지가 됩니다.


사용 환경 및 고객에 따라 다르지만, 그중에서 Level 1/Level 3/Level 4 정도가 가장 많은 평가 Level로 사용됩니다. Level 1은 주로 Cu Lead frame을 사용하는 패키지와 EMC를 사용하지 않는 Si die 자체만으로 패키지 형태를 보이는 WLCSP가 해당하며, Laminate substrate을 이용하는 패키지들은 주로 Level 3에 해당합니다. 기존 platform이 아닌 신규 platform 형태의 패키지는 처음엔 Level 4단계로 개발하다가 공정과 재료를 안정화시켜서 Level 3단계로 높이기도 합니다.

모든 패키지를 Level 1단계로 개발하면 좋겠지만 그만큼 좋은 재료와 최적화된 공정을 사용해야 하므로 품질 비용까지 고려해야 하는 비싼 패키지가 될 수밖에 없습니다. 개봉 후 약 168시간, 7일 이내로 표면실장 하면 되는 수준인 Level 3가 합리적인 품질 수준을 가지면서 가격 경쟁력 있는 패키지가 되는 것입니다. Level 5는 개봉 후 48시간 이내에 표면실장 해야 하니 SMT 업체 입장에서는 공정 진행 타이밍에 특별한 주의를 해야만 하는 부담이 생길 겁니다.


▲ Moisture Sensitivity Level 

 

MSL test를 좀 더 자세히 살펴볼까요?


아래 그림에 도식화한 순서대로 MSL test는 진행됩니다. JEDEC은 통계적 의미가 있는 77개의 시료를 가지고 실험할 것을 규정하고 있으며, 본격적인 Moisture Soaking 전에 광학 현미경으로 외관 이상 유무를 확인하고 전기적으로도 open/short 불량이 있는지 검사합니다. 그리고 SAT (Scanning Acoustic Tomography) 분석법으로 패키지 내부에 계면 박리나 EMC 혹은 Die crack이 있는지 검사합니다. 이러한 검사를 하는 이유는 MSL test 후에 불량이 발생했는지 확신하기 위함입니다. 이미 불량이 있는 자재를 가지고 실험한다면 의미가 없겠지요?

그리고 JEDEC 규정에 따라 수분흡습양만큼 정확히 흡습시키기 위해 125℃에서 24시간 동안 패키지 내부에서 수분을 완전히 제거하는 Dry Bake를 진행합니다. 그런 다음에 평가하고 싶은 Level 조건의 TH Chamber에 정해진 시간 동안 수분을 흡습하게 한 다음 표면실장 시 솔더를 녹이기 위해 주로 사용하는 IR reflow 온도 235~260℃를 3회 겪게 합니다.

잠깐! 1회가 아니고 3회 실시하는 이유는 무엇일까요. 위에서 언급했듯이 불가피하게 Rework이 필요할 것을 대비해서 3회 정도의 reflow 조건을 가하는 것입니다. 그런 다음 초기에 했던 외관 검사, 내부 검사, 전기적 성능 검사를 통해 불량이 없어야만 합니다. 자세한 불량 규정들이 있지만 여기서는 생략하겠습니다.


▲ MSL Test Procedure


▲ MSL Test에 사용되는 장비 사진


지난 호에 패키지 1차 건강 검진 항목에 관해 설명해 드린다고 했는데 도움이 되셨나요? ^^ 다음 호에는 패키지 수명에 대해 알아보겠습니다. 요즘 우리는 100세 시대에 살고 있는데 그러려면 몸에 좋은 음식, 적절한 운동, 스트레스 덜 받기 등등 노력해야 할 것입니다. 반도체 패키지가 들어 있는 전자제품이 무병장수하려면 패키지도 많은 노력을 해야 하겠지요. 패키지가 무병장수할지 알려면 어떤 건강검진 항목들을 추가해야 할까요? 다음 호에서 계속 이어가겠습니다.


참고자료 : IPC/JEDEC 국제 표준 스펙 J-STD-020D.1




WRITTEN BY 손은숙

건강하고 다재다능한 명품 패키지 개발을 주업으로, 울트라 캡 잔소리꾼이지만 때로는 허당 엄마를 부업으로, 하루하루를 열심히 사는 40대 꽃중년 아줌마입니다.





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  1. 장진서 2016.03.17 09:50 신고 Address Modify/Delete Reply

    안녕하세요. 좋은 글 감사드립니다.
    반도체 수입 업체 신입사원입니다. 궁금한 점이 있는데 반도체 MSL 레벨에 따라서 포장상태가 달라지는데 저는 LEVEL 2A부터 진공포장을 해서 수입을 한다고 알았는데, 국제 규격에는 LEVLE 2부터 진공포장이라는 말을 들어서요. 정확하게 어떤 것이 맞는 건지 알고 싶습니다.


새해가 되어 반이가 벌써 네 살이 되었어요. 예전에는 ‘미운 일곱 살’이라고 했는데, 요즘은 ‘미운 네 살’이라고 한다지요. 반이는 이제 말도 잘 안 듣고 말썽도 많이 피우는 개구쟁이가 되었답니다. 지난 크리스마스에는 개구쟁이 반이에게도 반가운 산타할아버지가 다녀가셨어요. 반이의 머리맡에 놓여 있던 큰 장난감은, 반이가 얼마 전부터 갖고 싶다고 노래를 부르던 오토폴리 디럭스 플레이 세트였답니다.


오토폴리 디럭스 플레이 세트(이하 오토폴리)는 아래 그림과 같이 오토폴리와 오토엠버, 그리고 브룸스 타운을 구현한 시청건물과 엘리베이터, 충전소, 광장, 신호등 게이트와 트랙 등으로 구성되어 있습니다.


▲ 오토폴리 디럭스 플레이 세트의 구성

사진출처 : http://www.academy.co.kr/


이 구성품 중 오토폴리와 오토엠버는 아래 그림과 같이 몇 가지 재미있는 동작을 하는데요, 약간의 힘을 주어 밀면 경광등에 불이 들어오면서 앞으로 계속 주행합니다. 이때 폴리 경찰봉을 달리고 있는 근처에 가져가서 버튼을 누르면, 마치 실제로 경찰이 단속하는 것처럼 오토친구들이 정지한답니다. 그리고 오토폴리와 오토엠버가 트랙을 달리다가 차 사이 거리가 가까워지면 뒤차가 자동으로 정지하고, 앞차가 출발하여 간격이 벌어지면 뒤차가 다시 출발합니다. 또한, 신호등 건물 근처에 갔을 때 신호등이 초록불이면 그대로 통과하지만, 노란불이나 빨간불이 켜지면 스스로 정지했다가 다시 초록불이 들어올 때 자동으로 출발합니다. 참 똑똑하지요? 이러한 동작들은 지난 호 [따라와! 폴리(바로가기)]에서 적외선 통신을 활용한 것으로 소개된 바 있습니다.


▲ 오토폴리의 동작

사진출처 : http://www.academy.co.kr/


이러한 동작은 아래 (‘유아들의 아이유’라고 불리며 선풍적인 인기를 끌고 있는 ‘캐리와 장난감 친구들’) 동영상에서 확인할 수 있습니다.


영상출처 : 유튜브(https://youtube.com/Sbd-lwfMctM)


이런 재미있는 기능을 가능하게 하는 것은 일단 오토친구들이 스스로 주행이 가능하기 때문인데요, 작은 체구임에도 오토친구들은 쉬지 않고 계속해서 달릴 수 있습니다. 반이는 ‘배터리, 태엽 = 밥’이란 개념을 갖고 있는데, 다른 장난감들에 흔히 넣어주던 1.5V 건전지를 넣지 않고도 달리는 오토친구들이 신기한가 봅니다.


“아빠, 오토폴리 어디로 밥 넣어줘요?”

“어~오토폴리는 이렇게 여기 충전소에 올려놓으면 돼.”

반이아빠는 오토폴리 충전소에 오토폴리와 엠버를 올려놓으며 말했습니다.

“왜요~?”

“어~그래야 전기로 된 밥을 먹을 수 있지. 그걸 충전이라고 하는 거야.”

“왜요~?”

“어~충전을 해야 힘이 생겨서 달릴 수 있거든.”

“왜요~?”

“브룸스 타운 친구들은 전기가 밥 같은 거여서 그래.”

“왜요~?”

“어~브룸스 타운 친구들은 전기자동차라서 그래.”

“왜요~?”

“아, 반아! 충전 다 됐다!”

오토친구들이 충전을 마친 덕분에 반이아빠는 가까스로 위기에서 탈출합니다.


▲ 오토폴리 충전소와 충전지


그간 반이의 장난감에 들어가던 건전지들은 보통 한번 쓰고 버리는 전지로서 1차 전지라고 합니다. 그에 반해 다시 충전해서 사용할 수 있는 전지를 2차 전지, 충전지라고 합니다.


충전지란 외부의 전기 에너지를 화학 에너지의 형태로 바꾸어 저장해 두었다가 필요할 때에 전기를 만들어 내는 전지입니다. 여러 번 충전할 수 있다는 뜻으로 rechargeable battery라는 명칭으로 쓰입니다. 충전지 종류로는 니켈 망간(Ni-Mn), 니켈 카드뮴(Ni-Cd), 니켈 수소(Ni-MH), 리튬 이온(Li-ion), 리튬 폴리머(Li-polymer), 밀폐형 납산(Sealed Lead Acid) 등이 있습니다. 오토폴리는 이 중 완구류에 많이 사용되는 니켈 망간 충전지를 사용합니다.


위의 사진과 같이 오토폴리 내부를 살펴보니 정말 밥통처럼 생긴 연두색 충전지가 들어 있습니다. 자세히 살펴보니 80mAh라고 되어 있네요. 이것은 충전용량을 의미합니다. 쉽게 말해서 80mA의 전류를 1h, 즉 1시간 동안 사용할 정도의 용량이 되는 것입니다. 물론 더 많은 양의 전류를 소비하면 사용시간이 짧아지고, 반대로 적은 양의 전류를 사용한다면 사용시간은 늘어나게 되겠지요. 아래 사진은 반이아빠 스마트폰의 충전지입니다. 하단에 ,라고 표기된 것을 볼 수 있지요. 오토친구들의 충전지와는 용량 차이가 크게 나는군요. 충전지는 용량이 클수록 크기가 커질 수밖에 없는 구조적 특징이 있어서 제품을 만드는 제조사에서는 크기와 용량의 사이에서 적당한 절충선을 찾느라 늘 고심하고 있답니다.


▲ 반이아빠 스마트폰 충전지


충전지는 한 번 쓰고 버리는 건전지에 비해 경제적인 면이나 환경적인 면에서 모두 유리합니다. 건전지처럼 사이즈 표준인 AA, AAA, C, 9볼트 등의 규격을 따라 생산되는 것이 시중에서 판매되고 있으므로 구하기도 쉽습니다. 여러 번 충전할 수 있다는 것이 장점이지만 일반 건전지보다 더 비싸고 이러한 전지에 쓰이는 화학부나 금속의 독성이 더 강한 편입니다. 반면, 건전지는 환경에 영향을 주는 독성물질을 땅에 축적시키지 않는다고 합니다. 니켈 수소 충전지를 생산하는 일부 업체들은 이 전지를 최대 3,000번까지 다시 충전해 사용할 수 있다고 언급합니다.


▲ 충전지 종류의 특징

자료출처 : https://goo.gl/wQVmcg


로보카 폴리 친구들과의 만남은 아쉽지만 이번 호까지만 하기로 하고, 다음 호부터는 새로운 친구와 함께 찾아오겠습니다. 많이 기대해주세요~!


감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장



WRITTEN BY 양원모

초등학교 때 꿈은 과학자가 아니면 야구선수였고 중학교 때 꿈은 작가였다. 고교에서는 전자과를, 대학에서는 문예창작학과를 졸업했다. 지금은 연구소 실험실에 근무하면서 주말에는 사회인야구를 하고 이제 사보에 기고하게 되었으니 어지간히 꿈을 이루고 사는 편이다.




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