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WLCSP 신뢰성 향상 방법

WLCSP 신뢰성은 주로 패키지와 기판 간의 서로 다른 열팽창 계수와 온도 변화에 따른 solder metal의 피로에 의해 발생하는 것으로 다음과 같은 Coffin-Manson 식으로 그 수명을 예측할 수 있습니다.

N=A(γ)-1.9(F)1/3exp(Ea/kTm)
N=실패 싸이클            Ea=활성화 에너지
A=물질 상수               k=볼츠만 상수
γ=스트레인                Tm=최대 동작 온도(K)
F=싸이클 주파수

일반적인 WLCSP 신뢰성의 요구특성은 daisy chain 구조의 시편을 사용하여 다음의 신뢰성 실험에서 20% 저항 증가를 파괴의 기준으로 삼고 있습니다.

1) 열주기 시험: -40/125 C (2 주기/시간)
2) 500mm 낙하 시험
3) 기계 주기 시험: 1300 X 10-6 strain (60 주기/분)
4) 진동 시험: 2배 중력 가속, 20-2000 Hz/시간
5) 굽힘 시험: strain rate 5mm/분

WLCSP의 신뢰성의 개선을 위하여 특별한 설계방법을 도입하는 경우가 많이 보고되고 있습니다. WLCSP는 stack된 솔더범프를 사용하여 범프의 높이를 증가시켰으며, Tessera WAVE와 FormFactor MOST 패키지는 유연한 본딩 와이어를 사용하여 솔더에 작용하는 응력과 변형을 줄였습니다. FCT UntraCSP는 솔더범프 주변을 폴리머로 강화시킴으로 범프의 파괴를 개선하여 신뢰성을 대폭 향상시켰습니다. 상기 그림은 이를 그림으로 나타내고 있습니다.

FCT Polymer collar 사용에 의한 솔더범프 파괴 현상

신뢰성 측면에서 WLCSP가 플립칩 보다 우수한 것은 underfill이 필요 없으며 이로 인해 가격 경제성 및 수리 가능성 등의 우수성이 있다는 점입니다. 그러나 최근에는 WLCSP의 경우에도 휴대폰의 경우 충격에 대한 저항성을 개선하거나, 자동차에서 외부 환경으로부터의 보호 등의 이유로 underfill이 사용되기도 합니다.

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Die Attach Material의 분류

Die Attach Material은 Leadframe, Epoxy Mold Compound 그리고 Gold Wire와 함께 반도체 Package 조립에 사용되는 중요한 원자재입니다. 본 글에서는 Paste Die Attach Material의 특성, 작업성 그리고 접착제가 Package신뢰도에 미치는 영향 및 접착제의 Test Method에 대해서 검토해 보도록 하겠습니다.

⑴ 구조상의 분류
Paste Die Attach 접착제는 Glass가 접착제 기능을 하는 Inorganic 접착제와 Monomer Resin을 반응시켜 Polymer Structure를 이루는 고분자 접착제로 구분될 수 있습니다. 고분자의 경우 크게 열경화성 수지(Thermosetting Polymer)와 열가소성 수지(Thermoplastic Polymer)로 나눌 수 있으며 전자의 경우 수지의 Monomer가 가열 성형된 후 삼차원 망상 구조(Cross-link Structure)를 가지며 다시 가열하여도 연화되지 않습니다. 이와 달리 후자의 경우는 가열에 의해서 가소성을 나타내는 수지로서 선형 고분자(Linear Polymer)의 구조를 갖습니다.(하기그림참조) 또한 이 두 가지 성분을 혼합 시켜 만든 Hybrid형도 있으나  사실상 많이 사용되고 있지 않고 대부분의 Material 개발은 Thermosetting Epoxy를 변형시키는 형태로 이루어지고 있습니다.

열경화성 고분자와 열가소성 고분자의 구조차이

⑵ 기능상의 분류
접착제가 전기적 전도성을  요하는 경우는 Silver와 같이 전도성을 띠는 Inorganic Filler를 첨가하고 이와 반대로 Silica를 첨가시켜 접착제 전체가 절연성을 나타내도록 할 수 있습니다. 또한 다기능 집적회로와 같이 많은 열을 발산하는 Device의 경우 Alumina 혹은 Diamond와 같은 Filler를 첨가하여 전기적 절연성과 동시에 열을 방출(Dissipation)시켜 Device의 오동작(Malfunction)을 방지할 수 있습니다.

⑶ 제품 형태의 분류
일반적으로 사용되는 Paste의 경우 용기의 형태에 따라 Syringe와 Jar형태로 나누어 지며 Resin과 Hardener가 Mixing되어 있는 일액형(1 Part)이 대부분입니다. 이액형(2 Part)의 경우는 이들을 서로 분리시켜 필요에 따라 이용자가 Mixing하여 사용할 수 있도록 되어 있습니다. 반도체 조립업계에서는 Adhesive의 생산, 관리적 측면을 고려하여 Syringe Type을 사용하는 추세입니다. Film 접착제의 경우 LOC에 주로 사용되는 Reel Type과 종이 형태의 Sheet Type 및 Customer의 Application에 따라 여러 가지 모양으로 납품이 가능한 Preform Type으로 구분될 수 있습니다.

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특성별로 분류한 접착제에는 혐기성 접착제, 탄성 접착제, 전도성 접착제, 난연성 접착제, 내열성 접착제 및 제진성 접착제를 포함합니다.
특성별 접착제 특허 분야는 1990년 초부터 매우 출원이 활발해진 분야로 록타이트, 3M, Ibiden , 내쇼날스타치, 스미토모, HB fuller 등 주요 접착제 전문업체가 집중하고 있는 분야로 일본에서는 연구개발이 활발히 진행되고 있습니다. 일본 특허청의 주요 출원인은 히타치, 스미토모, Sekisui Chem , 니토 덴코 등으로서 내국인을 중심으로 출원이 진행되었으나, 최근에 들어 미국 및 독일 기업의 출원이 진행되어 이들의 일본시장에 관심을 갖게 되기 시작하였 습니다.
기술적인 면에서는 혐기성 접착제는 일본에서 가장 활발히 출원되었으며 유럽과 미국에서도 꾸준하게 출원되고 있습니다. 반면 한국에서는 1990년대 중반부터 출원이 간간이 이루어지고 있었습니다. 혐기성 접착제의 주요 출원인은 록타이트, Okura ind Co, Toagosel Chem ind Co, Showa Highpolymer Co, 스리본드등이 있습니다.
탄성 접착제는 Sekisui Chem Co, Kanegafuchi Kagaku Kogyo Co, Yokohama Rubber Co, 토레이, 니토 덴코 등의 업체가 주로 출원하여 왔습니다.
전도성 접착제는 일본특허청 특허의 건수가 다른 나라에 비해서 큰 격차를 보이며 1980년대 초부터 지속적으로 그 건수가 증가하여 왔으며, 주요 업체는 스미토모, 히타치, Matsushita, 니토 덴코, 토시바 입니다.
한국 특허에서는 1985년부터 출원되기 시작하여 계속 증가 추세를 나타내었습니다. 주요 한국 출원인은 만도기계, 대우전자 등입니다.
난연성 접착제는 일본이  1990년 전후에 활발한 출원이 이루어진 후 약간의 감소세를 보이다가 최근에 다시 증가세를 타고 있으나 미국은 1990년 이전 출원을 제외하고는 없었습니다.
일본의 난연성 접착제의 주요 출원인은 히타치화학, 니토 덴코, 새한, Mitsui Toatsu 입니다. 난연성 접착제는 성분별로는 에폭시계가 주류를 이루고 있습니다. 한국에서는 1983년에 출원되기 시작하였으나  1990년대 중반부터 본격화 되었습니다. 유럽에서는 전체 건수는 많지 않지만 지속적으로 증가하여 왔습니다. 주요 출원인은 난연제 업체인 Great Lakes Chemical이 가장 많고 듀폰, 3M, 니토 덴코, Scapa Group 등입니다.
내열성 접착제는 1980년 중반을 시작해서 출원이 증가하다가 1990년 중반 정점으로 감소하다 다시 증가하였습니다. 특히 유럽과 한국에서 1990년 초반부터 지속적으로 출원되었습니다. 주요 출원인은  Hitachi chem, Sekisui Chem, Mitsui Toatsu Chem, 스미토코, 니토 덴코 입니다. 내열성  접착제는 에폭시계가  1992년에 피크를 이루고 있고 그 이후 점차 감소하고 있고, 폴리이미드계와 폴리우레탄계가 출원되고 있습니다. 한국의 주요 출원인은 동양나이론과 새한과 일본업체인 미쓰이 도아쯔 가가꾸, 도모에가와 세이시쇼, 닛또 덴꼬 등입니다. 일본의 내열성 접착제의 출원은 1980년부터 출원되기 시작하여 계속 증가되는 경향을 보이다가 1990년초부터 약간 감소하는 경향을 나타내고 있습니다. 내열성 접착제는 접착제 가운데 출원 건수가 가장 많습니다. 유럽 특허에서도 일본의 니토 덴코, 히타치 등의 일본 출원인이 강세를 보이고 있습니다.
제진성 접착제는 일본 및 유럽에서 활발히 출원되었으며, 유럽의 경우 1990년대 초반에 특허 출원이 활발해왔으나 1990년대 후반에 들어 출원이 침체되었습니다. 주요출원인은 3M, 헨켈, 니토 덴코, Chisso Corp, Idemitsu Kosan Co 입니다.

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