Package Crack 및 Delamination

 

Free                                        Bonded/Cluster

 

Solder Reflow                                            Solder Reflow
(250℃, 1 min)                                            (250℃, 1min)
     Slowly Heat to 250℃

Moisture에 의한 Popcorn현상

 

⑴ Moisture in Polymer
Polymer내에 흡수된 수분은 미량으로 무질서하게 분산되어 있는 Free Water의 형태(상기그림참조)나 극성분자(Polar Groups)들 주위 및 미세한 Void내에 응집된 Bonded/Clustered H2O의 형태로 존재합니다.
이중 Popcorn현상에 큰 영향을 주는 형태는 상기그림두번째 상태이며 그 이유는 Polymer내부에 존재하는 수분의 99%이상이 Bonded/Cluster Water이기 때문입니다. Free Water는 Polymer내부에 존재하는 다른 형태의 수분에 비하여  극소량 (1% 미만)이기 때문에 상온에서 250℃로 급격히 온도를 올렸을 경우 그 증기압은 0.059 MPa 에서 0.085 MPa로 약 45%밖에 증가하지 않습니다. 따라서 무질서하게 분산되어 존재하는 Free Water는 Popcorn 현상에 큰 영향을 주지 않는 것으로 추정됩니다. 그러나 Bonded Water나 Clustered Water가 Polymer내에 1% 만 존재하더라도 250℃에서의 증기압은 2.8 MPa내지 4.4 MPa로, 상온대비 40 내지 80배의 기하급수적인 증가를 나타냅니다. 급격한 수분의 기체화가 반도체 Package의 Popcorn현상에 영향을 주는 것은 위그림과 같은 실험을 통해 확인된 바있습니다. 일반적으로 반도체 Package가 85% RH/85℃ Preconditioning을 거쳐 흡습된 후 바로 Solder Reflow(250℃, 1min)를 거치게 되면 Popcorn현상이 발생되었지만, Solder Reflow(250℃, 1min)전에  Pre-bake를 하거나, 흡습후 Solder Reflow 온도까지 서서히 Ramp Up한 경우에는 Popcorn현상이 발생되지 않았습니다.

 

⑵ X-Ray Inspection
현재 반도체 업계를 포함한  다양한 산업 현장에서 X-Ray를 이용한 Non Destructive Testing이 널리 이용되고 있습니다. 최근 사용되는 Micro Focus Source 및 High Resolution X-Ray Detector는 Real Time X-Ray Imaging System이며 과거 사용되었던 Film-based X-Ray의 단점인 Low Contrast 및 Noise를 보완한 것입니다. 이러한 X-Ray Inspection을 통해 외부 관찰로는 불가능한 Package내의 결점들을 Package의 파괴나 Mechanical Contact없이 정확하게 확인할 수 있게 되었습니다. 최신 X-Ray 장비는 Real Time Image 연출, Image 확대 및 Analysis System이 조합되어 현재 Package Inspection 용도로 널리 사용되고 있습니다. X-Ray 를 통해 가능한 Inspection 의 범위는 매우 다양하며 접착제 관련 용도로는 Die Attach Void및 Channeling등의 확인에 사용되고 있습니다. 그러나 X-Ray는 Package내부의 Delamination 또는 Micro Voiding의 확인이 매우 어렵다는 단점을 갖고 있습니다. X-Ray Image는 Sample을 투과한 X-Ray Beam의 흡수를 통해 얻어지며 Image의 확대 기법은 다음 두 변수의 비율(B/A)을 조절함으로써 확대비 조절이 가능합니다.

 

l X-Ray Source와 Sample간의 거리 
l X-Ray Source와 Detector간의 거리

 

X-Ray의 확대비율 = B/A

 

예를 들어 X-Ray Source와 Detector간의 거리가 증가할수록, 또는 Sample과 X-Ray Source간의 간격이 작을수록 Image는 확대되고 이론적으로는 A의 값이 0일 경우 무한한 확대가 가능할 것으로 보이나 현실적으로는 불가능합니다. 그 이유로는 X-Ray Beam이 상기그림에 나타난 바와 같이 X-Ray Source의 표면이 아닌 Source Tube 내부에서 조사되기 때문에 실제 확대에 있어서는 X-Ray Source를 구성하는 Tube의 내부 중심에서 표면까지의 거리, 즉 반경만큼의 한계가 존재합니다. X-Ray의 Energy별 Source에서 Tube표면까지의 거리는 다음과 같습니다.

 

 

X-Ray Source와 Tube표면과의 거리

 

상기표를 참고하면 X-Ray Source의 Energy가 낮을 수록 Source반경은 작기 때문에 위의 Source중에서는 70KV Source를 이용하는 것이 Sample의 가장 큰 확대비를 기대할 수 있습니다.

 

(3) SAT (Scanning Acoustic Tomography)

 

 

SAT의  구조

 

반도체 Package의 Crack이나 Delamination의 유무를 확인하기 위해 여러가지 방법이 사용되고 있지만 일반적으로 Acoustic Microscopy라는 Technology를 사용함으로써 Package를 절단하지 않고 Crack이나 Delamination등과 같은 내부결함을 간단하게 Check할 수 있으며 Void도 찾아낼 수 있습니다. Acoustic Microscopy는 Test할 Sample에 Ultrasonic Wave(초음파)를 Expose하여 Air Gap의 Large Acoustic Impedance로 인해 반사되는 원리를 이용한 것으로서 Package내 불연속성의 원인이 되는 Void, Separation, Delamination등을 Check할 수 있습니다(상기그림참조).

l Ultrasonic Wave (초음파)란:
초음파는 Mechanical Energy의 일종으로서 일반적으로 20 KHz이상의 진동수를 갖는 음파를 말합니다. 초음파는 짧은 파장으로 빛과 같은 직진성을 갖으며, 조사되는 물질의 탄성에 매우 민감하여 Interface에서 반사하는 특징을 가지고 있습니다. 때문에 Package내에 있는 결함의 크기, 위치, 방향, 모양등의 정확한 측정이 가능합니다. 이러한 초음파는 반도체 Package내부의 Delamination 및 Void 그리고 Crack으로 인해 생긴 Air Gap에서 반사되며, Lens를 통해 반사된 초음파는 System내의 Transducer를 통해 Display System에 명암의 차이로 나타납니다.

 

 

Example of Acoustic Scanning Microscopy Image

 

일반적으로 High Resolution Acoustic Image를 나타내기 위해 다음과 같은 두가지 방법이 사용되며 그예는 상기그림에 나타내었습니다.

A. Transition Mode (TSAM)
초음파가 Sample을 통하여 전파되는 동안에 반사되는 Signal의 부족으로 인해 Image Contrast가 형성되는 원리를 이용한 방법으로 간단하게 Package내의 불연속성을 Check할 수는 있으나 어느 계면에서 Air Gap이 생겼는지를 알 수 없는 단점이 있습니다. 상기그림 에서 Delamination은 A와 B계면에서 각각 발생되었지만 TSAM의 경우 계면의 구분없이 명암이 나타나므로 Delamination이 생긴 것은 알수 있지만 어느 계면에서 생겼는지는 전혀 알 수 없습니다.

B. Reflection Mode (C - SAM)
초음파를 이용한 검사법중 가장 정확하다 할 수 있는 방법으로 검사하고자 하는 반도체 내부의 계면에서 반사되어 돌아오는 파장의 위치와 강도를 분석하여 Image를 형성하는 것을 원리로 한 방법입니다. Package내부를 Focusing할 수 있기 때문에 Delamination이 생긴 정확한 계면을 찾아낼 수 있습니다. 참고적으로 각 Interface별 반사율에 대한 공식을 아래에 나타냈습니다.

R(%)   =    반사율         Z1 = 입사 물질의 Acoustic Impedance
                                  Z2 = 반사 물질의 Acoustic Impedance

 

한 예로 Silicon Chip과  Epoxy Mold Compound 경계면에서의  반사율은 다음과 같이 계산됩니다.
l EMC의 Acoustic Impedance (Z1) : 6.76
l Silicon Chip의  Acoustic Impedance (Z2) : 20.04
R(%) = 49.6%

 

 

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