[건강한 반도체 이야기] 스트레스받는 패키지

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.

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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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