Temperature profile during LAB


ELK stress by bonding method 사진출처 : Amkor


Thermal simulation for LAB


(지난 호에서 계속) LAB 방법은 기판 위에 플립칩을 올려놓고 칩 표면에 Laser를 조사합니다. 이때 열에너지가 전달이 되고 솔더가 녹았다가 굳으면서 본딩이 완료됩니다. 관건은, 원하는 영역에만 똑같은 (Homogenized) 양으로 레이저를 조사하는 것입니다. Laser의 power는 칩 크기나 두께에 따라서 달라지겠지만, 때에 따라 1,000Watts가 넘기도 합니다. 아주 높은 열에너지를 순간적으로 전달해야 하는데, 과연 얼마나 높은 에너지를 또 어느 정도 시간 동안 전달해야 안전하게 본딩이 될 수 있을까요? 무엇보다 수많은 범프 중에 어느 하나 빠지지 않고 모두가 잘 녹았다가 굳어서 본딩이 되려면 여간 복잡한 일이 아닙니다. 그래서 온도에 민감합니다. Mass reflow는 thermos-couple을 통해서 Reflow 장비 내부의 온도를 측정할 수 있겠지만 LAB는 만만치가 않습니다.



Homogenized Laser beam quality 사진출처 : Yanggyu Jung, Development-of-Next-Generation-Flip-Chip-Interconnection-Technology-using-Homogenized-Laser-Assisted-Bonding, 2016 IEEE 66th Electronic Components and Technology Conference, 2016


적외선 카메라로 칩 표면의 온도를 측정할 수는 있겠지만, 정작 중요한 칩 아래 범프의 온도는 측정할 수가 없습니다. Thermo-couple을 붙여서 할 수 있겠지만 점점 낮아지는 범프 높이에 thermos-couple을 일일이 붙이는 것도 쉬운 일은 아닙니다. 여기에서 제가 하는 일, Thermal simulation으로 LAB공정에 필요한 조건들을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.


여기에 FCBGA 모델이 있습니다. 크기는 대략 50X50㎟ 이고 칩의 크기도 20X20㎟ 정도입니다. Simulation을 통해 확인하고 싶은 것은, 범프가 제대로 녹을 수 있도록 범프 전체의 온도 분포입니다. 500Watts의 Laser를 1초 동안만 칩 표면에 조사합니다. 그런데 아래 그림을 보면 500W가 아니군요. Laser는 빛의 특성을 갖습니다. 칩의 표면처럼 매끄럽게 연마된(Polishing) 표면에서는 반사도 일어납니다. Laser 파장에 따라 칩 표면에서 반사되는 정도가 다릅니다. 아래 그림처럼 Laser의 파장을 고려해 실제로 칩에 전달되는 Power를 계산하고 적용했습니다. 그 외에 simulation 조건은 최대한 실제 상황과 유사하도록 조정했습니다.



파장에 따른 실리콘 칩의 반사도 사진출처 : http://www.pveducation.org/


자, 이제 결과입니다. 앞서 이전 이야기에서 언급했듯, 시뮬레이션 모델이 의미가 있으려면 실제와 잘 맞아야 할 텐데요, 이런 검증 과정이 꼭 필요합니다. 적외선 카메라로 측정한 칩의 표면 온도와 시뮬레이션에서 측정한 온도를 시간에 따라 비교해봤습니다. 1초 후에 최대 온도가 거의 비슷했습니다. 이후에 냉각되는 동안 속도가 좀 차이가 나지만 가열되는 동안 충분히 일치한다고 볼 수 있습니다. 이를 근거로 범프의 온도를 평가해봤습니다.


시뮬레이션 모델 검증을 위한 온도 비교 사진출처 : Amkor


칩의 대각선 방향으로 범프의 온도를 보았습니다. 중앙에서는 최대 250도가 넘지만 모서리로 갈수록 온도가 낮아집니다. 칩을 동그랗게 만들지 않는 이상 칩의 형상 문제로 모서리 부분은 온도가 낮아질 수밖에 없습니다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 범프가 충분한 열을 받을 수 있도록 Power, 시간, laser 면적 등을 조절하여 최적의 조건을 찾을 수 있습니다.




마무리하며


이번 이야기에서는 새로운 플립칩 본딩 방법인 LAB에 대해서 한 번 살펴봤습니다. 새로운 기술이 도입되면 무수한 장점과 함께 해결해야 할 어려움도 같이 찾아옵니다. 실제로 실험도 해보고 컴퓨터를 사용해 평가도 해보면서 그 어려움의 높이도 조금씩 줄여가고 있습니다. 결과만 짧게 보여드렸지만 유의미한 시뮬레이션 모델을 만들기 위해 수많은 시행착오를 거처야 했습니다. 그래도 끝내 의미 있는 결과를 얻을 수 있어서 다행이었습니다.


다음 달에도 새로운 기술 혹은 한참을 고민하다가 해결한 문제들을 갖고 다시 돌아오겠습니다. (^_^)




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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Laser Assist Bonding


독자 여러분, 안녕하세요! 오랜만입니다. 마치 엄마가 저녁에 무엇을 준비할지 고민하는 것처럼, 어떤 이야기를 할지 고민하다 보면 한 달도 금세 지나갑니다. 그러다 보니 시간이 좀 많이 지났군요. 이번 주제는 플립칩 본딩 방법의 하나로 LAB (Laser assisted boding)에 대해 소개할까 합니다. 앞서, 칩 본딩 방법의 하나로 플립칩에 대해서도 소개를 했습니다. 언제나 그러하듯이, 성능을 개선하거나 가격을 낮추기 위해 다양한 기술들이 연구되고 개발되고 있는데요, 그중에 새로운 플립칩 본딩 방법의 하나인 LAB에 대해 살펴보도록 하겠습니다.


Mass reflow vs LAB


기존에 와이어 본딩 방법은 칩과 기판 사이를 금속 와이어로 연결합니다. ‘패키징의 꽃은 와이어 본딩’이라는 말이 있을 정도로 아주 오랜 세월 동안 사용해 온 방법입니다. 하지만 칩과 기판 사이에 더 많은 연결이 필요하고 신호 손실을 줄이기 위해서는 와이어의 저항도 무시할 수 없게 되었습니다. 그 대안이 ‘플립칩’입니다. 칩 전 면적에 분포된 범프를 사용해 입출력 단자 개수도 늘릴 수 있고, 와이어에 비해 짧은 연결 거리로 인해 신호 특성에도 많은 장점이 있습니다. 하지만 언제나 그러하듯 장점이 있으면 해결해야 할 어려움들이 있게 마련입니다. 그중에 하나가 Reflow라는 공정을 거치는 동안 발생합니다.


일반적으로 플립칩 본딩을 하기 위해 무연 납 혹은 Cu pillar라는 범프 구조를 사용합니다. 구조는 약간 다르지만 칩을 기판 위에 붙이려면 범프의 솔더가 녹았다가 다시 굳는 과정을 거쳐야 합니다. 금속이 녹으려면 열이 필요합니다. 아래 그림은 일반적인 Reflow 장비입니다. 기판 위에 살짝 올려진 플립칩을 컨베이어 벨트 위에 올려 놓으면 저 장비를 지나가면서 본딩이 됩니다. 긴 장비 내에는 구간 별로 온도가 설정이 되어 있어서 솔더가 녹았다가 다시 굳으며 본딩이 됩니다. 이러한 본딩 방법을 Mass Reflow라고 부립니다. 그런데 본딩을 하는데 수 분이 소요되는 것도 문제지만 칩 외에 기판도 열을 받으면서 원치 않는 문제가 생깁니다.


Reflow 장비 사진출처 : http://www.hellerindustries.com/


Reflow temperature profile for SAC305 사진출처 : http://www.aimsolder.com/


기판도 열을 받으며 팽창하며 칩과 기판의 열팽창의 차이로 제대로 본딩되지 않고 범프 혹은 칩의 미세회로 층이 파손되는 경우가 발생합니다. 수천 개가 넘는 범프 중 하나라도 파손되면 패키지 기능에 문제가 생길 수 있어서 Mass reflow를 거치는 중에 범프가 파손되지 않도록 많은 노력을 해야 합니다.


Chip attach 이후 범프 주변의 변형과 stress 사진출처 : AMKOR INTERNAL


Bump tearing after Mass reflow 사진출처 : http://prod.semicontaiwan.org/


서두가 길었는데요, 문제의 원인은 칩뿐만 아니라 기판도 장시간 열을 받는다는 것입니다. 원하는 부분만 짧은 시간 동안 열을 가한다면 범프 파손 문제 해결에 큰 도움이 되겠지요. 이를 해결하기 위해 LAB (Laser Assisted Bonding) 방법을 사용하게 되었습니다. Mas reflow를 하는데 5~7분가량 뜨거운 Reflow 장비를 통과하는 데 반해, LAB는 레이저를 사용해 아주 짧은 시간 동안 칩 부분에만 열을 가하여 본딩하게 됩니다. 시간도 대략 1~2초에 끝나니 엄청나게 짧아진 셈입니다. 아래 그림을 보면, 칩과 주변에만 높은 온도가 유지되고 그 밖에 영역에는 상대적으로 온도가 낮습니다. 열에 노출되는 시간이 짧고 부분적이니 칩과 범프에 발생하는 스트레스도 상대적으로 낮습니다. 이외에 LAB의 여러 장점이 있지만 이번 이야기에서는 방법과 제가 하는 일인 Thermal simulation과 연관해 이야기해보겠습니다. (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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안녕하세요? 한동안 장마로 비가 많이 오더니 30도를 훌쩍 넘는 더위가 이어지네요. 지금까지 살면서 긴급 재난 문자를 이렇게 많이 받아 본 적은 처음인 거 같습니다. 일본은 지진의 조짐이 보이면 이렇게 전 국민에게 대피하라는 문자를 보낸다고 합니다. 지진은 아니지만 우리는 폭우와 폭염으로 국민안전처에서 여러 차례 문자를 받았습니다. 위험에 처한 분들이 걱정도 되지만, 국가로부터 도움을 받고 있다는 생각이 들어 왠지 감사하더군요. 이런 긴급 상황에서 매체가 되어 주는 스마트폰의 위력에도 놀라웠고요. 여러분들은 어떠셨나요? 모쪼록 본격적인 무더위가 시작될 텐데, 스트레스 적게 받으시고 건강 잘 유지하시기 바랍니다.


사람의 건강을 해치는 것은 무엇일까요? 방금 말씀드린 스트레스가 아닐까요? 이 스트레스를 얼마나 덜 받고 잘 해소하느냐에 따라 건강 유지의 관건이 달려 있다고 해도 과언이 아닐 겁니다. 이 스트레스를 완벽히 제로로 만들 수 있을까요? 관에 들어가면 제로가 된다고 합니다. (ㅎㅎ) 즉, 스트레스는 내가 아직 살아 있다는 증거라고 하네요. 사는 동안 피할 수 없는 이 스트레스! 친해지기도 그렇고 마냥 멀리할 수도 없는 존재인데요, 그런데 사람뿐만 아니라 반도체 패키지도 스트레스를 받는다는 것을 아시나요? 이번에는 반도체 패키지는 무엇 때문에 스트레스받는지에 대해 한번 살펴보려고 합니다.


지난 호에서, 패키지 만병의 근원은 패키지 변형, 즉 ‘warpage’라고 말씀을 드렸습니다. 바로 이러한 변형이 생기면 패키지 내부에서는 스트레스가 발생하게 됩니다. 패키지 내부에서 스트레스가 높아지면 패키지 내부 계면 박리나 crack과 같은 기계적 손상이 발생해 설계된 전기적인 성능을 내지 못하는 불량이 발생하게 됩니다.


패키지 Warpage 변형이 발생하는 이유


✓ 반도체 패키지에 사용되는 재료


패키지 내부를 자세히 들여다보면 반도체 패키지를 구성하는 몇 가지 전형적인 재료가 있습니다. Silicon (Si)으로 이루어진 Chip, 그리고 이 chip을 고정해 전기적인 배선을 가능하게 하는 Copper (Cu)소재의 Lead frame, 혹은 Polymer 소재의 기판 substrate, 이 Silicon chip을 Lead frame이나 Substrate에 접착시키는 열경화성수지 접착제인 Adhesive 혹은 Underfill (UF), 그리고 이 모든 것을 감싸 덮어 주는 EMC (Epoxy Molding Compound)가 있습니다. 또한 Silicon chip과 Lead frame/Substrate와 전기적인 통로가 되는 Gold (Au) wire / Tin (Sn) bump 등이 있습니다.


▲ 반도체 내부 - 패키지 타입별 소재 구성도


반도체 조립 공정이라는 것은 위에서 설명한 소재들을 대략 낮게는 10℃부터 높게는 260~300℃까지 온도를 가하며 Silicon Chip을 중심으로 각 소재를 서로 접합시키는 일련의 과정입니다. 그런데 이 소재들에 온도를 가하면 팽창합니다. 재료별로 그 팽창하는 정도가 고유하게 다릅니다. 이렇게 열팽창 정도가 Silicon chip을 기준으로 보면 재료별로 적게는 7배, 많게는 100배 정도 차이가 납니다. Adhesive나 EMC 등으로 감싸고 접합한 상태에서 온도를 올리거나 내리게 되면 어떤 재료는 덜 팽창 혹은 수축하려고 하고, 어떤 재료는 많이 팽창 혹은 수축하려다 보니 변형이 생기게 됩니다.


▲ 반도체 패키지 조립 공정별 typical 공정 온도


▲ 소재별 선형 열팽창 계수


✓ 보드 레벨에서의 warpage가 BGA 솔더 접합부에 미치는 영향


패키지의 변형 문제는 패키지를 만들고 나서도 고민이 됩니다. 패키지를 보드에 부착한 후에도 반복적인 온도 변화 환경에 놓일 수 있기 때문입니다. 이때는 패키지와 보드 사이의 열팽창 차이로 솔더 접합부의 수명에 영향을 미칩니다. 솔더 접합부에 반복적인 변형이 발생하면 피로가 가중되어 결국 Crack이 발생할 수 있습니다. 솔더 접합부의 피로 수명을 높이기 위해 다양한 노력을 하고 있습니다만 가장 중요한 것은 보드와 패키지 사이에 열팽창 차이를 줄이는 것입니다.


▲ Solder joint crack during Temperature cycling


✓  반도체 소재의 기계적 물성치 정의 


1) 열팽창 계수 (CTE, Coefficient Of Expansion) : 철사나 구리줄을 가열하면 늘어납니다. 이때 온도 변화가 클수록 길이의 변화도 커지게 되지요. 길이의 변화는 처음의 길이에도 비례합니다. 길이가 L0인 고체 온도가 △t만큼 변하였을 때 길이의 변화를 △L이라고 하면, △L은 △t와 L0에 비례하므로 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.


∆L=αL_0×∆t


이 식에서 비례 상수 α를 ‘선형 열팽창 계수’라고 한다. 늘어났을 때의 길이 L은 다음과 같습니다.


L=L_0 (1+α∆t)


이미지 출처 : http://goo.gl/WB516G


2) 탄성 계수 (Young’s Modulus) : 재료의 종류에 따라 응력이 일정한 값(항복점)을 초과하지 않을 때 응력과 변형률과의 비는 일정한 값을 나타내며, 이때의 비례상수를 말합니다. 변형률은 길이 혹은 체적의 비를 나타내며 무차원이므로, 탄성계수의 단위는 응력의 단위와 동일합니다. 수직응력(σ)과 변형률(ε)의 사이에는 σ=Eϵ의 관계가 있으며, E를 종탄성계수(Young’s modulus)라 하고, 보통 ‘탄성계수’라고 말합니다.


이미지출처 : http://goo.gl/axuuCI


✓ 패키지 warpage 변형을 최소화하는 방법 (공정 관점/재료 관점/구조 관점)


1) 공정 온도를 낮추라

2) CTE mismatch를 최소화하라 - Low CTE 재료 선정

3) Low modulus 소재를 선정하라

4) 재료의 CTE mismatch 유효 면적 / 길이를 줄여라


이번 달에는 패키지 만병의 근원인 패키지 warpage에 대해 알아보았습니다. 이러한 변형을 최소화 함으로서 스트레스를 낮추는 방법들을 살펴보았는데요, 독자 여러분도 무더운 여름 스트레스받지 않도록 하시고 혹 그렇더라도 본인에게 맞는 해소법으로 건강을 유지하시기 바랍니다.


그동안 6회에 걸쳐 연재하고 있는데 과연 몇 분이나 이 글을 보실까 하는 궁금증이 생겼습니다. 제가 드라마 작가는 아니지만 왜 시청률에 연연해 하는지 조금은 이해가 되기도 하더군요. (^^) 아래 보시면 ‘빨간 하트’가 있는데요, 눌러 주시면 공감 지수가 올라간답니다. 비록 큰 도움이 안 되었더라도 눌러주시면 제가 몇 분이 이 글을 보시는지 가늠하는 데 유용하겠습니다.




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. Austin Park 2016.07.29 21:41 신고 Address Modify/Delete Reply

    읽기만 하고 댓글을 달지 않는 부끄럼쟁이 반도체인들..ㅎㅎ
    지난 SEMI packaging교육에서 Presentation 잘 들었습니다.
    좋은 반도체 이야기 계속 올려 주세요.

  2. 엄명철 2016.10.07 15:11 신고 Address Modify/Delete Reply

    잼나게 보고 있습니다.

  3. 권종대 2016.10.26 16:18 신고 Address Modify/Delete Reply

    글 잘 보고 있습니다.
    너무 잼있게 잘 설명 해 주셔서 제가 신입 친구들 교육용으로도 쓰고 있습니다. ^^
    -나믹스 권과장-

  4. 홍용균 2017.09.17 19:50 신고 Address Modify/Delete Reply

    Packaging분야학습에큰도움받았숩니다감사합니다.


[건강한 반도체 이야기] 미모와 체중에 신경 쓰는 패키지


안녕하세요? 독자 여러분! 올해 앰코인스토리 [반도체 이야기]의 주제는 ‘건강하고 다재다능한 반도체 이야기’였습니다. 기억하시나요? 지금까지 다섯 차례에 걸쳐 반도체의 건강에 관해 이야기를 했습니다. 자, 이번 호부터는 건강은 기본으로 하고 다재다능한 반도체 이야기를 해볼까 합니다. 갑자기 이런 말이 생각나네요. 아빠가 딸 아이에게 “못생겨도 좋다. 공부 못 해도 좋다. 건강하게만 자라다오!” 과연 진심일까요?


저도 엄마지만 앞의 아빠처럼 훌륭한 부모는 아닌가 봅니다. 저는 솔직히 제 아이들이 건강은 당연하고 부모 유전자의 한계가 있음에도, 이왕이면 키도 크고 예쁘고 날씬하고 공부도 잘했으면 좋겠거든요. 당연히 부모의 욕심이지요. (^^) 반도체 패키지의 성능에 대한 소비자와 고객들의 욕심도 이와 같다고 생각합니다. 건강하기만 하면 안 됩니다. 작아져야 하고, 가벼워야 하고, 얇아져야 하고…. 반도체의 외모가 아주 중요해졌습니다.


스마트폰을 예로 들어 볼까요? 스마트폰 전체 두께는 얼마나 될까요? 지금 여러분 손에 들려있는 폰을 한 번 보세요. 대략 7~8mm 됩니다. 무게는 얼마나 될까요? 기기나 크기에 따라 다르겠지만 대략 150~250g 정도입니다. 이 정도 두께와 무게라면 그 안에 들어가는 반도체 패키지의 두께나 무게는 얼마나 될까요? 제가 지금 지면이 아닌 강의를 한다면 돌발 퀴즈를 내어 가장 근접하게 맞추시는 분께 시원한 아이스크림을 드리고 싶습니다만, 아쉽네요. 아! 댓글을 달아보시겠어요? 하하! 답을 말씀드릴게요.


두께는 1mm가 넘지 않습니다. Substrate 기판을 사용하는 Laminated 패키지 타입은 대략 0.5~0.7mm 정도이고 기판을 사용하지 않는 Wafer level CSP 패키지는 보통 0.3~0.4mm 정도 됩니다. (제가 여기서 말씀드리는 수치는 어디까지나 대략적인 수치입니다. 이보다 더 얇거나 두꺼울 수 있으니 참고하시기 바랍니다.) 무게는 얼마나 될까요? 15mm 정도 크기의 패키지는 2g 내외입니다. 이보다 작은 패키지는 물론 그 이하일 것입니다. 최근 삼성전자에서 20mm 512GB 메모리를 1g으로 만들었다고 하네요. 아래 그림에서 보듯, A4용지 1장이 5g 정도 하니 얼마나 가벼운지 감이 오겠지요.


▲ 삼성전자, 무게 1g 크기 2cm ‘512GB BGA NVM2SSD’

사진출처 : 삼성전자


이번에는 그럼 패키지 속으로 들어가 보겠습니다. Mobile Application Laminated 타입 패키지 안에 있는 Si chip 의 두께는 얼마나 될까요? 대략 50~100㎛ 이내입니다. 여러분! 100㎛ 정도면 어느 정도인지 혹시 감이 오시나요? A4 종이 1장의 두께가 80~100㎛ 정도라고 하니, 50㎛ 정도의 Chip 두께라면 A4 종이보다 더 얇은 거겠지요. 아래 그림에서처럼 스마트폰에 들어가는 AP (Application Processor) device이고 패키지 형태는 POP (Package On Package) 입니다. 아래 패키지가 Logic device, 위 패키지가 memory device입니다. 두 개의 패키지가 stack 되었어도 전체 두께가 1mm가 채 안 되지요. 단면을 보시면 Si chip 두께를 대략 가늠해 볼 수 있을 겁니다.


▲ 1mm 이하 두께의 POP (Package On Package) 패키지 단면 사진


패키지 만병의 근원


사실 여기까지는 반도체 패키지에 관해 관심이 있으시다면 이미 이 정도는 알고 계신 분들이 많을 겁니다. 멀리 돌아왔는데요, 사실 반도체 외모에 대해 제가 말하고 싶었던 것은 두께나 무게나 크기가 아닙니다. 스마트폰에 들어가는 AP (Application Processor) 패키지는 크기가 대략 14mm 내외입니다. 헌데 chip 성능상 크기를 줄이는 데 한계가 있습니다. 그런데 1mm 이하로 얇아지면서 생기는 문제가 아래 그림들과 같은 패키지 변형입니다. 이것은 Warpage 라고도 하는데요, 이 변형 정도, 즉 warpage 정도가 크면 클수록 문제를 일으킵니다. 어찌 보면 패키지 만병의 근원이라고도 볼 수 있습니다. 그래서 신규 패키지 개발이나 생산 때면 이 Warpage 최소화를 위해 최적화된 구조 설계, 최적화된 재료 선정, 적절한 공정 선택과 조건 설정이 주요 과제가 됩니다.


▲ 패키지 Warpage 측정 결과


패키지 Warpage가 크면 발생하는 문제


패키지 변형인 Warpage가 크면 무슨 문제가 일어날까요? 일차적으로 패키지를 Board에 실장할 때 Warpage가 과도하면 아래 두 그림에서 보여주는 것처럼 Solder 접합부가 보드에 안 붙는 non-wetting 현상으로 open 불량을 가져오기도 하고 인접한 Solder Ball끼리 녹아 붙으면서 연결되지 말아야 할 회로가 연결되어 short 불량을 일으키기도 합니다.


이차적으로는 패키지가 보드에 실장되고 사용 환경에서 고온, 저온을 겪게 되면 이러한 Warpage 변형 모양이 아래로 불룩(Smile face)하거나 위로 불룩(Cry face)한 모양으로 반복적으로 바뀌고, 이러한 반복적인 변형이 패키지 내부 접착 계면에 박리를 유발하기도 하고 패키지 내부 crack이나 보드와의 전기적인 Solder 접합부 파손으로 Device 본래의 기능을 갖지 못하게 될 수도 있습니다.


▲ 과도한 Smile face Warpage로 인한 SMT공정 중 발생할 수 있는 open / short 불량

사진출처 : Chip Scale Review Magazine (http://goo.gl/UjYbty)


▲ 과도한 Cry face Warpage로 인한 SMT 불량

사진출처 : 특허청 (http://goo.gl/KzHGfC)


패키지 warpage 레벨 요구 조건


과연 실장 때 불량을 막으려면 패키지의 Warpage는 얼마로 관리되어야 하고 고객의 요구 수준은 얼마나 될까요? 15mm 이하의 크기는 1년 전만 해도 80㎛ 이내였다가, 최근에는 50㎛, 심지어 Solder가 녹는 220℃ 이상의 온도 구간에서 20㎛ 이내를 요구하기도 합니다. 앞에서 A4 용지 두께를 생각해 보시면 얼마나 변형이 적어야 하는지 아시겠지요? 이 criteria를 맞추기 위해 얼마나 고생하는지 아마 모르실 겁니다.


참고로, 30~50mm 크기의 비교적 큰 패키지는 200~250㎛ 이내를 요구합니다. 50mm 크기면 손바닥 반 만한 크기인데, 변형을 A4 종이 2장 겹친 것보다 작게 할 수 있을까요? 이것도 정말 쉽지 않답니다. 하지만 우리 앰코는 불가능을 가능으로 만들지요. 대단하지 않나요? (^^)


앗, 그럼 패키지 만병의 근원인 Warpage는 왜 발생하는 걸까요? 그리고 그것을 최소화하기 위한 방법은 무엇일까요? 다음 호에 계속 됩니다.




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. 솔솔 2016.07.01 09:19 신고 Address Modify/Delete Reply

    오래기다렸습니다
    좋은 글 올려주셔서 감사합니다!!

  2. 홍용균 2017.09.17 20:32 신고 Address Modify/Delete Reply

    재밌어서계속읽게되네요감사합니다



1. KAIST, 종이 찢듯 그래핀 자르는 기술 개발 (2016-01-25 뉴시스)


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종이를 찢듯이 그래핀을 원하는 모양으로 자를 수 있는 기술이 개발됐다. 반도체와 투명 디스플레이의 핵심 소재로 주목받는 그래핀은 전기 전도성과 강도가 뛰어나고 유연해 '꿈의 신소재'로 불리지만 탄소가 벌집형태로 강하게 결합해 있어 결합을 끊어내는 과정에서 손상이 일어나게 된다.

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2. 일본 도시바, 낸드플래시에 올인…1위 삼성에 도전장 (2016-01-25 이투데이)


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일본 도시바가 낸드플래시 메모리 사업에 ‘올인’한다. 도시바가 낸드플래시 메모리를 제외한 반도체 사업을 오는 3월말까지 매각하는 방안을 추진하고 있다고 25일(현지시간) 일본 니혼게이자이신문이 보도했다. 분식회계 파문에 휘말렸던 도시바는 수익성 회복을 향한 과감한 사업구조 개혁을 추진하고 있다.

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3. 작년 국내 스마트폰 샤오미·애플 따돌리고 호실적 (2016-01-25 미디어펜)


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지난해 전반적인 수출 부진 속에 정보통신기술(ICT) 분야 수출도 1.9% 줄어든 것으로 나타났다. 무역수지 흑자는 800억달러대를 유지했다. 25일 미래창조과학부에 따르면 지난해 ICT 수출은 전년보다 1.9% 감소한 1728억9000만달러, 수입은 3.6% 증가한 913억2000만달러로 집계됐다. 무역수지는 전년(881억 달러)보다는 감소해 815억6000만달러에 그쳤지만 2013년 이후 3년 연속 800억 달러를 넘는 수준을 지켰다.

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4. ABB, 작업자와 협업가능한 산업용 양팔 로봇 "YuMi" 국내 최초 공개 (2016-01-25 이데일리)


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다양한 산업분야에서 산업용 로봇을 이용하는 사례가 늘고 있다. 미국, 독일, 일본 등 전세계적으로 산업용 로봇 기술과 시장이 성장함에 따라 보다 정교한 작업 능률과 안전성을 갖춘 산업용 로봇이 등장하고 있는 상황이다. 우리나라도 마찬가지다. 로봇 산업의 규모가 커지고, 관련 업체의 수가 증가하면서 기술적으로 보다 완벽한 산업용 로봇의 등장을 기대할 수 있게 됐다.

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[건강한 반도체 이야기] 반도체 패키징이란?


안녕하세요! 2016년 한 해 동안 [반도체 이야기]를 풀어나갈 손은숙입니다. 처음 원고 청탁을 받았을 때 전형적인 이과생이라 말주변이 없어서 고사해 볼까도 생각했지만, 나름 20여 년을 앰코라는 큰 울타리에서 패키지와 함께 살았는데 그동안 쌓아온 지식을 이 지면을 통해 패키징에 대해 관심 있는 앰코인스토리 내외 독자분들과 공유하는 것도 의미가 있을 것 같아 감히 시작해 보려고 합니다.


어떤 내용으로 한 해 반도체 이야기를 꾸려 가는 게 좋을까 고민을 좀 했습니다. 그동안 [반도체 이야기] 칼럼의 주제들을 살펴보니, 주로 반도체 기술동향이나 application 별 원리, 반도체 소자 기초이론 및 Fab 제조공정에 대한 소개가 자세히 잘 이루어진 것 같습니다.


약 10여 년간 SEMI가 주최하는 ‘반도체 패키징 교육’에서 필자가 반도체 패키지 신뢰성 분야 강사로 발표를 하면서 매해 주제가 바뀌는데도 패키지 신뢰성 부분은 늘 관심이 많다고 해마다 강사로 초청해 주십니다. 매해 100여 명이 넘게 교육을 신청하시는데요, 그 수와 구성원들을 보고 놀란답니다.


필자가 학교 다닐 때만 해도 학교에서는 패키징에 대해서는 전혀 소개되지 않았지만 요즘엔 패키징을 전문적으로 연구하시는 교수님들도 많고 전문학회도 있다 보니 이미 학교에서도 패키징에 대해 알고 입사 지원하는 분들을 볼 수 있고, 패키징 관련 재료 및 장비산업체에서도 패키징에 대한 관심이 매우 높다는 것을 알 수 있었습니다.


필자가 주로 연구소에서 앰코 내 개발 및 생산되는 패키지의 신뢰성 및 고객들이 요구하는 기계적, 열적, 전기적 특성들을 예측 및 분석하고 불량 원인에 대해 연구하므로, 필자가 그나마 잘 알고 있고 패키징 전문 회사에서만 말해줄 수 있는 패키지의 신뢰성 및 패키지가 가져야 하는 여러 가지 특성에 대해 소개해 드리면 어떨까 합니다. 그래서 올해 동안 풀어갈 주제로 건강하고 다재다능한 반도체 패키지 이야기라고 붙여 보았습니다.


올해 전반부는 건강한 패키지에 대해, 후반부는 건강은 기본으로 하되 반도체 application 별로 고객들이 요구하는 여러 가지 다재다능한 패키지 특성들에 대해 설명을 하겠습니다.


반도체 패키징이란?


반도체 산업 영역은 크게 IC (Integrated Circuit) Chip design > IC Wafer Fabrication > Packaging > Test로 나눌 수 있습니다.


▲ 반도체 제조 과정


그 중 Amkor는 Packaging과 Test 전문 회사이지요. Si wafer에 가공된 IC chip은 그 자체만으로는 반도체 소자로 구실을 할 수 없기에 반드시 패키징을 통해 IC chip에 있는 전기적인 신호 단자를 전자제품 보드에 물리적으로 연결하여 전기적 신호가 전달될 수 있도록 신호 path를 만들어 줘야 합니다. IC chip과 보드 사이에 전기적으로 신호만 연결해 주면 그 소자의 동작여부는 확인할 수 있겠지만, 실제 사용자 환경에서 전자제품의 기능을 가지려면 보통 Si 결정으로 만들어진 IC chip은 외부충격으로부터 깨지기 쉽기 때문에 chip을 감싸서 보호해야 하고 장시간 사용환경에서 견딜 수 있도록 하기 위해 신뢰성 있는 패키징을 해야만 합니다.


반도체 패키징의 기본적인 목적


반도체 패키징의 기본적인 목적은 크게 아래 세 가지로 요약할 수 있습니다. 


1. IC chip과 사용 전자제품의 보드까지 전기적인 신호 연결

2. 깨지기 쉬운 Si IC chip 보호

3. 다양한 사용 환경에서 장시간 사용할 수 있도록 신뢰성 확보


다양한 반도체 패키지 종류 


반도체 패키지는 위의 기본적인 세 가지 기능 이외에, 응용분야별로 요구하는 기술적인 조건에 따라 다양한 종류의 패키지가 있습니다. 어떤 응용분야건 간에, 패키지 크기는 경박단소(Lighter, Thinner, Shorter, Smaller)를 기본으로, 전기적으로는 저전력 소모, 안정적이고 빠른 신호 배선 설계, 열적으로는 효율적인 열방출기술이 요구되면서 가격경쟁력이 있는 저가의 패키징 기술이 현재 가장 큰 트렌드인 것이 사실이지요.

 

▲ 다양한 반도체 패키지 종류


일반적인 패키징 공정 순서


일반적인 반도체 패키징 순서는 아래와 같습니다.


▲ 반도체 패키징 공정 순서


▲ 반도체 패키징 내부


이미 다 알고 계신다고요? 혹시나 반도체 패키징을 잘 모르는 외부독자들을 위해 소개 차원에서 간단하게 언급하였으니 양해 바랍니다. ^^ 


자, 그렇다면 패키징이 기능과 종류, 공정 순서 등에 대해 이미 어느 정도 알고 있다는 전제하에, 이미 패키징이 완료된 반도체 소자는 플라스틱 tray나 reel & tape 등과 같은 carrier에 담겨 박스 포장되어 고객사나 PCB(Printed Circuit Board)에 실장하기 위해 실장전문업체로 보내게 됩니다. PCB에 실장이 되어야 구동할 수 있는 전원도 공급받고, 소자 간에 전기적인 신호를 주고받으면서 전자제품으로서 설계된 기능을 할 수 있는 것입니다.


필자가 올해 [반도체 이야기] 주제를 건강한 패키지라고 했는데요, 완성된 반도체 패키지가 PCB 보드에 실장될 때 얼마나 건강한지 1차 평가를 받게 됩니다. 그럼, 1차 건강 검진 항목이 뭘까요? 궁금하시지요? 다음 호에서 계속 이어가겠습니다.




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. 2016.01.22 11:01 Address Modify/Delete Reply

    비밀댓글입니다

    • 손은숙 2016.01.27 13:09 신고 Address Modify/Delete

      안녕하세요? 윤대현씨, 관심 가져 주셔서 감사합니다.
      case 별로 제한적이긴 하겠지만 일반적인 범위에선 답변 드리도록 하겠습니다. 메일 주소로 연락 드리겠습니다.

  2. 바이오인 2016.01.27 08:58 신고 Address Modify/Delete Reply

    이쪽분야는 아니지만~평소 반도체패키징에대해서 궁금했었어요~그런데 님글을보니 아~~ 이런거였구나 했어요~쉽게 잘 쓰셔서 이해 되었네요~감사합니다~^^

    • 손은숙 2016.01.27 13:05 신고 Address Modify/Delete

      도움이 되셨다니 감사하네요. 외부에서도 저희 회사 "앰코인스토리" 많이 보신다더니 댓글을 보니 실감이 나네요.

  3. 김도형 2016.02.10 20:52 신고 Address Modify/Delete Reply

    잘 봤습니다...^^.. 잘 지내시죠?

  4. 박지우 2016.10.20 18:10 신고 Address Modify/Delete Reply

    좋은 자료라 출처를 밝히고 퍼가겠습니다.
    혹시라도 불편하시면 바로 내리겠습니다.
    감사합니다.


지난 호 무선조종 엠버에 이어 이번 호에 소개할 반이의 장난감은 따라와! 폴리입니다. 브룸스타운 구조대의 리더 폴리는 언제나 용감하고 빠르기 때문에, 반이가 가장 좋아하는 캐릭터랍니다. 시리즈 주인공인 만큼 장난감으로도 가장 많은 종류가 판매되고 있습니다.


▲ 따라와! 폴리

사진출처 : http://goo.gl/mPnVst


따라와! 폴리는 로보카 폴리 본체와 경광봉으로 구성되어 있습니다. 폴리 머리 쪽에는 버튼이 있어서 이것을 누르면 로보카 폴리 주제가가 흘러나오면서 아래 영상처럼 폴리가 전후좌우로 신나게 춤을 춥니다. 경광봉으로는 두 가지 동작을 명령할 수 있는데요, 경광봉을 흔들면 폴리가 ‘삐요삐요~!’ 사이렌을 울리면서 악당을 추격하는 것처럼 앞으로 전속력으로 달립니다. 그리고 경광봉 중앙의 노란색 버튼을 누르고 있으면 일명 ‘따라와’ 기능이 발동하는데요, 폴리가 제자리에서 몇 차례 이쪽저쪽으로 회전하다가 곧 경광봉 쪽으로 따라오기 시작합니다.


▲ 따라와! 폴리 동작

사진출처 : http://goo.gl/CeAIiL


따라와! 폴리 언박싱 및 작동 모습

영상출처 : https://youtu.be/usAoBn1U7BY


그렇다면 폴리는 어떤 원리로 경광봉을 따라오는 것일까요? 아래 사진은 경광봉 내부기판 모습입니다. 오른쪽에는 건전지를 꽂는 부분이 있고, 중간 부분에는 희끄무레한 LED 3개가 보입니다. 노란색 스위치를 누르면 그 LED들에서 빨간빛이 나옵니다. 그런데 가만히 보니 왼쪽 끝 부분에 LED가 하나 더 보입니다. 하지만 노란색 스위치를 눌러도 이 LED에서는 빛이 나지 않습니다. 어떻게 된 것일까요?


▲ 따라와! 폴리 경광봉


이 LED에서는 우리가 볼 수 있다는 뜻을 가진 가시광선(Visibile light)이 아닌 적외선(IR : Infrared)이 나오므로 IRED(Infrared emitting diode)라고 합니다. 적외선은 우리 눈에 보이지 않습니다. 가시광선이 프리즘에 통과된 햇빛의 색깔, 즉 우리가 흔히 말하는 빨주노초파남보의 무지개색이라고 한다면, 적외선은 빨간색 아래 범위의 파장을 가진 광선입니다. 그래서 붉을 적(赤), 바깥 외(外), 줄 선(線)을 써서 적외선이라고 합니다. 비록 우리 눈에는 보이지 않지만 아래 영상과 같이 스마트폰 등의 카메라를 사용하면 적외선이 발광하는 것을 확인할 수 있습니다. 영상 속에서 일반 LED는 강한 붉은빛을 내뿜지만, IRED에서 작은 불빛이 반짝이는 것이 보입니다.


IRED 발광

영상출처 : https://youtu.be/Guu4GkRSwBk


한편, 이렇게 발광한 적외선은 어떻게 될까요? 아래 사진은 따라와! 폴리 본체 내부 모습입니다. 폴리의 앞부분을 자세히 살펴보니 이곳에도 LED처럼 보이는 것이 있네요. 경광봉에 있던 IRED가 적외선을 방출하는 ‘발광 다이오드’라면, 이것은 방출된 적외선을 받아들이는 ‘수광 다이오드’입니다.


▲ 따라와! 폴리 본체 내부


경광봉 버튼을 누르는 동안 발광 다이오드에서는, 경광봉을 따라오라는 명령이 포함된 고유한 주파수의 (약 37[㎑] : 이 주파수가 외부의 적외선이나 조명의 영향을 거의 받지 않고 해당 명령을 전송할 수 있다고 합니다) 적외선이 나오고, 수광 다이오드는 이를 받아들여서 폴리 본체 내부의 기판 회로로 전달합니다. 회로에서는 받아들인 신호에서 ‘따라오라는 명령’이 들어 있는 것을 읽어내고, 경광봉 쪽으로 폴리가 움직이도록 모터를 돌려주는 명령을 내려주게 되는 것이지요. 경광봉의 위치는 두 개의 수광 다이오드가 각각 받은 신호에서 멀고 가까운 것을 인식하고 보정해서 알려주게 되어 있습니다.


그러고 보니 이러한 동작은 우리가 생활하면서 많이 접해 본 것 같네요. 바로 TV, 에어컨 등의 리모컨을 작동할 때로군요! 대부분 리모컨도 따라와! 폴리와 같이 IRED 방식으로 작동합니다. 또한, 지금처럼 스마트폰이 보급되기 이전의 휴대전화에서는 적외선 통신 포트가 있었는데요, 두 대의 휴대전화를 나란히 놓아 포트를 마주 보게 하고 파일을 주고받았던 적도 있었지요.


한편, 최근의 스마트폰에서는 아래 사진처럼 리모컨 앱을 설치하고 별도의 리모컨 동글을 부착하면 스마트폰을 리모컨으로 사용할 수 있습니다. 이 리모컨 동글에도 IRED가 들어 있어 적외선을 쏠 수 있기에 가능한 기능입니다.


▲ 스마트폰 리모컨 동글

사진출처 : http://goo.gl/kXLukW



연재를 처음 시작할 때 “엄마! 아빠!”를 부르는 것이 고작이었던 반이가 열 달이 지난 지금은 노래도 하고 피아노도 치고 레슬링으로 아빠를 넘어뜨린 후 “빅토리!”를 외칠 정도로 훌쩍 자랐습니다. 엊그제에는 예쁜 동생도 생겼답니다. 올 한 해 각 가정의 반이들을 키우느라 고생 많으신 반이아빠, 반이엄마, 그리고 졸필이나마 [반이아빠의 장난감 속 반도체]를 읽어주신 독자 여러분 가정에 2016년 행복과 사랑이 넘치길 기원합니다.



감수 / 기술연구소 연구1팀 정지영 팀장


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