반도체와 원가절감


안녕하세요, 앰코인스토리 독자 여러분! 2월이 가고 3월이 오고 있습니다. 추었던 겨울을 뒤로 한 채 따뜻한 봄이 오기를 간절히 바라봅니다. 얼마 전, 대형마트 한쪽에 전시된 가전제품 코너를 둘러봤습니다. 남자라서 그런지 다른 것보다 TV가 눈에 들어왔습니다. 얇고도 넓은 화면에서 탄성을 자아낼 만한 화려한 장면에 한동안 넋을 잃고 쳐다봤습니다. 예상보다 싼 가격에 꼭 사고 싶다는 마음이 좀처럼 떠나지 않았습니다. 불과 몇 년 전과 비교해도 성능은 더 좋아지고 화면 크기보다 가격은 반대로 그대로이거나 더 낮아졌습니다.


고등학교 시절, 아버지 몰래 들고 온 휴대전화를 자랑하던 친구가 있었는데 전화만 되던 벽돌보다 큰 핸드폰이 200만 원 가까이한다는 사실에 큰 충격을 받았습니다. 하지만 그때와 비교할 수 없을 정도로 최첨단의 휴대전화이지만 이상하게도 가격은 점점 더 낮아지고 있습니다. 왜 그럴까요? 많은 대답을 할 수 있겠지만 기술개발과 더불어 오늘 이야기할 주제인 ‘원가절감’이라고 하겠습니다. TV에 들어가는 반도체 패키지도 가격 경쟁력을 가지려면 원가절감을 피해갈 수 없겠지요. 그래서 이번 이야기에는 반도체 패키징에서 어떤 수고와 노력이 있는지에 대해서 이야기해 보려고 합니다. 그런데 할 이야기가 많아서, 오늘은 먼저 소재에 대한 이야기를 해볼게요!


반도체와 Gold wire


먼저, 반도체 패키징에 사용되는 소재를 살펴봅시다. 패키징에는 여러 가지 소재가 사용됩니다. 리드프레임이나 PCB와 같은 기판이 있겠고, EMC (epoxy mold compound), Die adhesive, Gold wire에 이르기까지 다양한 종류의 소재들이 사용됩니다. 이러한 소재들을 생산하는 업체들도 가격 경쟁력을 갖추기 위해 많은 노력을 하고 있지요. 그렇다면 패키징을 하는 업체 입장에서는 어떻게 하면 소재 비용을 줄일 수 있을까요?


첫 번째, 골드 와이어(Gold wire)가 있습니다. 이는 칩과 외부 입출력 단자를 전기적으로 연결해주는 역할을 합니다. 흔한 말로 ‘금값’이라고 하는데 그만큼 가격이 비싸지요. 지난 30여 년간의 금 가격의 변화를 보면 꾸준히 상승하고 있습니다. 반도체 패키지를 만들려는 고객 입장에서는 금값은 오르더라도 패키지 제작 비용이 같이 오르는 것은 원치 않겠지요. 그렇다면 가능한 한 Gold wire를 조금이라도 덜 쓰는 것이 원가절감에 큰 도움이 됩니다.


▲ 금 가격 변동 / Gold wire 지름에 따른 가격 비교

사진출처 : (좌)https://goo.gl/eIIPGG/(우)https://goo.gl/2D2TkE


보통 사람의 머리카락 두께는 50에서 100㎛ 정도라고 합니다. 패키지에 사용되는 Gold wire는 이보다 훨씬 얇은 25㎛ 이하입니다. 조금이라도 더 얇은 Gold wire를 쓴다면 그만큼 가격 경쟁력이 생기겠지요. 그런데 한도 끝도 없이 얇아질 수는 없습니다. 얇아진 만큼 전기적인 특성이 안 좋아지고 몰딩을 하는 동안 sweeping에 취약하여 인접한 wire와 합선이 되는 불량이 발생할 수도 있기 때문이지요.


▲ Wire Cost Savings Copper vs. Gold / 다양한 wire 소재들


금은 비싸니까 상대적으로 가격이 저렴한 소재도 있습니다. 대표적인 것인 구리(Cu)입니다. 구리가 아무리 비싸다 하더라도 금에 비할 바는 못되겠지요. 하지만 구리는 쉽게 산화가 되고 금에 비해 딱딱해서 공정에 많은 주의를 기울여야 합니다. 그 외에도 가격 경쟁력이 있는 다양한 소재의 wire들이 있습니다.


소재를 바꾸는 것 다음으로, Gold wire를 적게 쓰면 됩니다. 가능한 칩(chip)에 가까운 곳에 Wire를 연결하면 되겠지요. Chip을 기판 위에 붙이려면 일종의 접착제가 필요합니다. 이럴 때는 ‘에폭시(epoxy)’를 사용하는데요, Chip을 붙이는 동안 액상의 epoxy가 chip 바깥으로 일부 흘러나오게 됩니다. Wire를 본딩하는 곳이 chip에서 너무 가까워 epoxy가 묻는다면 제대로 본딩이 안 될 수도 있습니다. 에폭시 대신 필름 형태의 DAF (die attach film)을 사용한다면 wire를 상당히 짧게 할 수 있습니다. 또 하나 배선의 두께와 폭을 줄인다면 그만큼 wire를 짧게 할 수 있습니다. 그런데 기판의 배선을 두께와 폭을 줄이면 기판 제작 비용이 증가하니, 이것도 고려해서 설계해야 하겠지요.


▲ Bond finger위치 비교 Epoxy vs DAF / Bond finger pitch에 따른 wire length 비교


반도체와 Substrate


두 번째로 이야기 하고 싶은 소재는 기판(substrate)입니다. 기판 설계에 한 트렌드는 Core가 없는 Coreless입니다. 전통적인 기판은 두꺼운 Core를 중심으로 양쪽에 배선층을 적층합니다. Core가 없다면 가격이 감소하고 패키지 전체 두께를 낮출 수 있어서 많이 주목받고 있는 기술이지요. 언제나 그렇지만 세상에 쉽고 편한 길은 없습니다. 비교적 딱딱한 Core가 없어서 Warpage에 영향을 미칠 수 있고, 혹은 전기적 특성에도 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 다양한 분야에서 동시에 패키지 성능 평가가 필요합니다.


기판의 배선층이 많아질수록 제조하는 공정이 추가되므로 가격은 상승합니다. 배선층 수를 줄일 수만 있다면 이 역시 원가절감에 큰 도움이 되겠지요. ETS (Embedded Trace Substrate)라는 기술도 coreless 기판의 일종인데, Core 대신에 프리프레그(Pre-Preg)를 사용하고 배선층 수도 줄일 수 있어서 최근 주목받고 있는 기술입니다.


▲ Cored vs Coreless substrate 단면 비교 / Embedded trace substrate 단면 구조

사진출처 : (좌)https://goo.gl/8VNN1I/(우)https://goo.gl/wy8RWd


언젠가 방문했던 원자재 납품 업체 사무실 한쪽 벽 화이트보드에 이런 글이 쓰여 있었습니다. ‘원가절감, 줄이지 못하면 죽는다.’ 좀 무섭기도 한 표현인데요, 경쟁력을 갖추기 위해서는 원가절감은 선택이 아니라 필수가 되었습니다. 그래서 절박하고 결연한 의지를 표현한 것이라고 생각합니다. 가전제품 코너 앞에서 제품 가격표를 보고 마음을 졸이는 저 자신을 보면, 원가절감이 현업에서 참 중요한 일임을 새삼 느끼게 됩니다. 이번에는 소재를 가지고 이야기했다면 다음에는 제조공정 중에 어떤 기술들이 있는지를 살펴보도록 하겠습니다. 다음 호에서 만나요~!




WRITTEN BY 정규익

청운의 푸른 꿈을 안고 앰코에 입사한 지 어느덧 만 10년이 되었군요. 10년이면 강산도 변한다는데 마음만은 늘 신입사원처럼 모든 일이 신기하고 궁금해서 즐겁게 일했으면 하는 바람입니다.




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(지난 호에서 이어집니다) 그리고 한 가지 더, 리드프레임 패키지보다 패키지 아래 전 면적에 입출력 단자를 배치시킬 수 있는데요, 이를 BGA(Ball Grid Array)라고 부릅니다. 빠지는 곳 없이 전 면적으로 빼곡히 채우고, BGA의 피치가 작아질수록 사용할 수 있는 입출력 단자의 개수도 많아집니다.


▲리드프레임 패키지의 와이어 본딩 연결


 

▲ 복잡한 PCB 설계

사진출처 : https://goo.gl/edkd7K


그렇다고 마냥 PCB만 선호할 수는 없습니다. 당연히 리드프레임보다 비싸지기 때문입니다. 배선층이 2개, 4개 등 한없이 많아질 수 있지만, 그만큼 만들기도 어렵습니다. 자, 이렇게 비유해 볼게요. 집 앞에 잠깐 나가서 음료수와 과자 몇 봉지를 사려는 데 결혼식에나 어울릴 법한 옷을 차려입지는 않겠지요. 그 반대의 상황에서도 마찬가지고요. 기판의 특성에 따라서 어떤 부분은 좋지만 반대로 그렇지 않은 특성들이 있습니다. 그래서 만들려고 하는 제품이 필요로 하는 성능과 가격 등을 따져서 선택하게 됩니다.


패키지 성능 평가와 설계


기판 설계까지 열심히 했는데 과연 그 패키지 제품이 고객이 원하는 만큼의 성능을 낼 수 있을지도 사전에 혹은 동시에 평가합니다. 그중에 하나는 열 특성 평가입니다. 앞서 다른 필자님이 소개한 내용에 패키지의 열 성능과 평가가 있었는데요, 그렇게 제품이 실제로 작동하게 될 장비 안에서 원하는 만큼의 열 성능을 낼 수 있을지를 평가합니다. 만약 만족을 못 한다면 패키지 소재를 바꾸거나 크기와 두께 등을 바꿔가면서 평가를 해봅니다. 그래도 안 된다면 패키지 구조를 바꾸거나 고객의 요구 조건을 좀 낮춰야 한다고 제안도 합니다.

그리고 두 번째는 전기적인 특성입니다. 가장 대표적인 평가 중 하나는 특성 임피던스입니다. 패키지가 작동하다 보면 원하지 않는 저항 성분이 발생하여 전송하는 신호의 손실을 주게 됩니다. 손실을 최소화할 수 있도록 특성 임피던스를 맞추기 위해 패키지 제품에 알맞은 설계값을 제공합니다.

세 번째는 변형과 파손에 대한 예측 평가입니다. 제품을 만드는 중에도 그렇고, 패키지를 실장할 때에도 패키지의 변형은 큰 골칫거리입니다. 온도가 변하면 열팽창이 일어나는데, 서로 다른 소재로 구성된 패키지는 그래서 열변형은 피할 수 없는 문제입니다. 변형만 일어나면 다행이지만 그것 때문에 내부에서 깨지고 끊어진다면 큰 손실입니다. 그래서 컴퓨터를 사용한 해석 덕분에 예측할 수 있는데요, 이것 역시 여러 소재를 바꾸거나 구조 변경을 통해서 허용 범위 내로 변형을 제한할 수 있습니다.


처음 입사했을 때에 한 선배가 하는 말이, 호랑이 담배 피우던 시절에는 너무 급해서 컴퓨터 CAD 대신에 제도판에서 자로 선을 그려 도면을 만든 적도 있다고 들었습니다. 아주 오래전의 일이지만, 그때 비해 기술은 훨씬 더 발전했고 과거에는 고려하지 않았던 무수한 일들을 설계 단계에서 고민하고 있습니다. 물론 위에서 설명하지 못한, 많은 설계 조건이 더 있습니다. 체계화된 설계 단계와 수많은 엔지니어의 경험까지 녹아들어 설계가 완성됩니다. 한 제품의 설계가 끝나고 무사히 생산이 잘 되었다는 소리를 들으면 누가 알아주지 않는다고 해도 마음이 뿌듯합니다.


이제, 다음에는 무슨 내용으로 이어갈까 고민 중입니다. 혹 댓글로 궁금한 내용이 있으시다면 남겨주세요. 참고해보겠습니다. (^_^) 그럼 다음 호에 만나요!




WRITTEN BY 정규익

청운의 푸른 꿈을 안고 앰코에 입사한 지 어느덧 만 10년이 되었군요. 10년이면 강산도 변한다는데 마음만은 늘 신입사원처럼 모든 일이 신기하고 궁금해서 즐겁게 일했으면 하는 바람입니다.




 

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  1. 함초롬히 2017.02.13 05:34 신고 Address Modify/Delete Reply

    나의 반도체에 대한 지식은 "도체와 부도체의 중간 물질" 요기까지 인데...
    반도체에 대한 깊은 지식을 접할 수 있는 코너라 챙겨 보고 있습니다,
    마치 재미있는 미니 시리즈 기다리는 마음으로 3편을 기대하며...
    감사히 지식 담아 갑니다,

    • 정규익 2017.02.23 14:28 신고 Address Modify/Delete

      한 마디 인사가 글쓰는 사람에게는 큰 격려가 됩니다. 작지만 반도체 패키징을 이해하는데 도움이 되길 바랍니다.


패키지 설계


안녕하세요? 앰코인스토리 독자 여러분, [반도체 이야기]의 새로운 필자인 정규익 책임입니다. 2017년을 맞아 제가 새롭게 이야기를 이어 나가려고 해요. 저는 설계팀으로 입사해서 6년 정도 설계 업무를 했습니다. 입사하기 전까지는 패키지가 무엇인지도 몰랐습니다. 하지만 많은 분의 도움을 얻어서 패키지에 문외한이었던 제가 패키지 전반에 대해 잘 이해할 수 있었습니다. 그래서 첫 번째 이야기로, 패키지 설계에 관해 이야기해보려 합니다.


사전적 의미의 ‘설계’는 기계, 기구, 장치 등을 생산할 때 사용 목적에 만족하도록 기구, 구조, 각 부의 재료, 형상, 크기, 그 밖에 제작에 관한 일체의 것을 계획하고 결정하는 것이라고 되어 있습니다. 느낌만으로도 알 수 있는 단어인데 사전적 의미는 이렇게 복잡하네요. 반도체 패키징 산업이 시작한 이래로 수많은 종류의 패키지 제품들이 개발되었습니다. 오늘 말하는 ‘설계’는 이 제품 중 하나를 선택하여 거기에 알맞게 설계하는 일을 설명하려고 합니다.


그래서 필자는 설계의 첫 번째 단계를 패키지 종류 선정이라고 생각해요. 필요한 입출력 단자의 개수(I/O), 패키지 외형의 크기, 전기적 열적 특성, 그리고 무엇보다 중요한 가격까지, 여러 조건을 꼼꼼히 따져보면서 가장 알맞은 제품으로 선택하게 됩니다. 설계 전부터 이미 결정되기도 하지만, 간혹 앞서 말한 여러 조건 때문에 변경되기도 합니다.


기판 (Substrate) 설계


두 번째 단계로 기판(Substrate) 설계가 있습니다. 패키지 종류를 구분하는 기준 중 하나는 어떤 기판(substrate)을 사용하느냐입니다. 전통적으로 구리 동판에 에칭을 통해 배선을 만드는 방식인 리드프레임(Leadframe)이 있습니다. 상대적으로 값이 싸고 열적, 전기적 특성의 장점이 있어서 지금까지도 다양한 종류의 제품에 적용됩니다. 하지만 반도체 칩의 기능이 더욱 다양해지면서 필요한 입출력 단자는 점점 늘어가는데, 리드프레임 패키지의 구조적인 한계에 직면하게 되었습니다. 입출력 단자들이 패키지 외곽에만 있는데요, 더 많은 단자를 만들려면 그만큼 패키지는 더 커져야 하는 단점이 있습니다. 아래 그림처럼 한 줄 대신 두 줄, 그리고 다양한 형태의 입출력 단자를 만들어보지만 필요를 따라가기에는 어려움이 있습니다. 또한, 하나의 배선층만 사용할 수 있어서 설계에 어려움이 종종 있습니다.


▲ 리드프레임


▲ 다양한 종류의 리드프레임 패키지


반도체 패키징 관련 일을 하지 않아도 ‘PCB’라는 말은 한 번쯤 들어보셨을 것 같아요. PCB는 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)이며 리드프레임의 단점을 많이 보완할 수 있지요. 그림을 통해 간단한 구조를 살펴볼까요.


▲ 여러 종류의 패키지 기판 (substrate)

사진출처 : https://goo.gl/o5Umpb


▲ PCB를 사용한 패키지와 단면 구조


기본적인 구조는, 전기적으로 절연된 소재를 사이에 두고 목적에 따라 설계한 배선층을 적층한 것입니다. 말로 설명하기에 좀 어렵군요! 자, 아래 그림을 보시면 리드프레임은 배선 설계의 제한 때문에 와이어 본딩(wire bonding)을 할 때는 가급적 가까운 리드 핀(Lead pin)으로 해야 합니다. 하지만 아래 붉은색처럼 반대편에 있는 핀으로 연결하려면, 불가능한 것은 아니겠지만 여러 가지 공정상이나 패키지 성능에도 문제가 될 수 있는데요, PCB는 여러 층으로 구성된 배선층과 각각의 배선층을 수직으로 연결해주는 Via를 통해 원하는 곳으로 연결할 수 있습니다. (다음 호에 계속)




WRITTEN BY 정규익

청운의 푸른 꿈을 안고 앰코에 입사한 지 어느덧 만 10년이 되었군요. 10년이면 강산도 변한다는데 마음만은 늘 신입사원처럼 모든 일이 신기하고 궁금해서 즐겁게 일했으면 하는 바람입니다.




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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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  1. 조은애 2017.01.29 13:27 신고 Address Modify/Delete Reply

    제가 담당하는 몰드 공정 소개라 관심 집중하고 읽어 봅니다,
    헐,....
    매일 작업하면서 취급하는 EMC 역활이 이렇게 중요 했네요.
    EMC 취급함에 있어 SPEC 을 철처히 지겨야 겠네요,
    그래야 양품의 품질이 생산 될 수 있겠기에...
    또한,
    라인에서 늘 고생하시는 엔지니어 분들께도 감사의 말씀 전합니다,


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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