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EMC의 구성재료와 역할

(1) EMC란?

EMC는 리드 프레임, 골드 와이어와 더불어 반도체 후공정에 사용되는 3대 기능성 재료중 하나입니다. EMC 재료는 외부의 열에 의해 3차원 경화구조를 형성하는 열경화성의 고분자소재를 기본으로 재료의 기능강화를 위해 무기소재를 블랜드한 무기/유기 복합소재입니다.
성형특성, 기계적 특성이 우수하고 가격이 저가인 에폭시라는 유기재료를 통하여 EMC의 경화특성이 발현되기 때문에 반도체의 패키징 공정에서 사용되는 몰딩 컴파운드를 Epoxy Molding Compound(EMC)라 부르고 있습니다.

(2) EMC의 성분과 설계

EMC는 다양한 소재를 배합하여 반도체 봉지재로서의 요구특성을 만족시켜야 합니다. 따라서 EMC 설계(Formulation)시에는 용도나 사용환경 및 가격을 중심으로 성형성, 내습성, 접착성, 역학, 열, 전기적특성 등을 동시에 고려하여야 합니다.
EMC 설계가 공학적으로나 공업적으로 고난도의 기술이 필요한 이유는 EMC의 여러 요구특성이 서로 상충되기 때문입니다. 예를 들어, 생산성 증대를 위해 고속, 전자동 공정으로 진행됨에 따라 EMC는 경화속도가 빠른 것을 사용합니다. 그러나 경화속도가 빠를수록 저장성이 떨어지게 되는데 이에 따라 EMC의 저장안정성을 높이기 위해 잠재성 반응촉진제와 같은 특수소재를 사용해야 하므로 제품가격이상승됩니다. 따라서 생산성 향상에 따른 이익을 상쇄시키게 됩니다.
접착성과 이형성도 서로 극단적으로 상충되는 특성입니다. 실리콘 다이나 리드 프레임과의 접착성은 반도체 패키지의 안정성확보에 있어서 핵심이 되는 특성으로 이를 위해서는 흐름성이 좋은 저분자량의 수지를 사용하거나 왁스의 양을 적게 사용해야 합니다. 그러나, 이경우 금형과의 이형성이 상대적으로 낮아져 Sticking과 같은 불량이 일어나기 쉽습니다.
또한 접착성이나 내열성을 높이기 위해서는 다관능성(Multi-Functional) 에폭시수지나 경화제를 사용하여 가교밀도(Cross Linked Density)를 높여야 합니다. 이 경우는 역학적으로 취성(Brittle)을 나타내기 쉽고 특히 가교점의 증가에 비례하여 흡습량이 증가하기 때문에 공정 중에 크랙이 일어나기 쉽습니다.
한편, 흡습성을 줄여 수증기압에 의한 스트레스와 성형물의 열적 스트레스를 낮추려면 필러를 최대한으로 충전시켜야 합니다. 이러한 경우에는 공정중의 급격한 점도상승을 막기 위해 점도가 낮은 수지를 채택합니다. 이러한 ‘고충진필러 + 저점도수지’의 EMC는 구조적으로 성형성이 낮아질 수밖에 없습니다.
이외에도 여러 상충되는 특성이 설계 시에 고려되어야 하는데, 결국 얼마나 최적화시켜서 원하는 성능을 구현하는가가 EMC설계 및 개발의 핵심입니다.

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BGA는 그 쓰이는 기판의 종류에 따라 플라스틱 BGA(P-BGA), 세라믹 BGA(C-BGA), tape BGA(T-BGA)등으로 분리되며, 각각의 특징은 다음과 습니다. 

(가) P(Plastic)-BGA

P-BGA에 있어서 칩은 bismaleimide triazine (BT) 에폭시 유리 fiber가 라미네이트된 기판에 접합됩니다. BT 기판은 유리전이(glass transition) 온도가 170 - 215℃ 로서 일반 FR-4의 115 - 125℃ 보다 높으므로 더 좋은 열안정성을 갖고 있습니다.  P-BGA는 C-BGA보다 가격이 낮고 기판 유전상수가 낮으므로 전기적 특성이 더 우수합니다.  은을 함유한 에폭시 칩 접착제를 사용하며 칩은 BT 에폭시 수지에 접착시키고 칩 면을 에폭시 수지를 사용하여 transfer 몰딩을 합니다.  많은 경우 BT 기판에 열 방출 비아를 설계하여 칩에 바로 접촉시킴으로써 열 방출 특성을 높이는 특징이 있습니다.  P-BGA는 가격이 저렴하여 가장 널리 쓰이고 있는 형태의 BGA 패키지로서 대개 600 I/O 이하, 75MHz 속도 고속 SRAM, ASIC, 마이크로 프로세서 등에 사용됩니다. 그러나 플라스틱을 기판 재료로 쓰고 있기 때문에 수분 흡수에 따른 popcorn cracking과 같은 문제가 패키지의 신뢰성 문제를 유발하는 경우가 종종 있습니다.

(나) C-BGA

C-BGA는 세라믹 PGA의 핀을 솔더볼로 바꾼 것입니다.  알루미나 세라믹 기판을 이용하여 습기를 완전히 차단할 수 있기 때문에 P-BGA와 같이 수분 흡수로 인한 문제점이 비교적 적고, 견고한 구조를 가지고 있기 때문에 특별한 신뢰성을 요구하거나, 패키지가 사용되는 환경이 열적 안정성 또는 내식성 등을 요구하는 경우에 적합합니다. 그러나 세라믹 기판과 PCB판 사이의 열팽창계수 차이에 의한 신뢰성 문제를 줄이기 위해 솔더볼 대신 기둥(column)을 사용하여 완충성(compliance)을 향상시키고 전단응력을 줄이기도 합니다.  세라믹 기판의 무게가 상당한 비중을 차지하고 있기 때문에 다른 형태의 BGA보다 무겁고 제조단가가 상당히 비싸다는 단점을 가지고 있습니다.

(다) T-BGA

T-BGA는 격자구조 TAB 테이프와 BGA의 장점을 복합한 구조를 가지고 있습니다. TAB 테이프에 보강판(stiffener)을 접착시킨 후 칩을 플립칩 이라고 부릅니다.  TAB 테이프의 반대쪽은 BGA 형태로 솔더볼을 접착합니다. 방열판을 칩의 뒷면에 부착시켜 칩으로부터 직접 방열을 시킵니다. 이 T-BGA는 P-BGA와 C-BGA보다 미세피치화가 가능하여 매우 큰 수의 I/O 접속이 가능하고, 상대적으로 소형화, 경량화에 유리한 구조를 가지고 있습니다. 또 다른 T-BGA의 장점으로는 PCB와의 열팽창계수 차이가 비교적 작아 열적 안정성이 매우 우수하다는 점입니다.

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패키지의 구조

반도체 봉지재는 IC(Integrated Circuits), LSI(Large Scale IC),VLSI(Very Large Scale IC) 등의 반도체 소자를 외부로부터의 충격, 진동, 수분, 방사선 등으로부터 보호하기 위해 사용됩니다. 하나의 반도체를 제조하기 위해서는 여러 공정을 거치게 되는데 크게는 칩 제조 공정과 패키징 공정으로 나눌 수 있습니다.

칩 제조공정은 칩의 설계, 배선의 형성 등 반도체칩의 제조와 연관된 공정입니다. 패키징 공정은 칩의 제조와는 무관하지만 칩을 외부환경으로부터 보호하고 칩의 성능을 최적화, 극대화시키기 위해 필요한 공정입니다. 반도체용 재료는 크게 전공정 재료와 후공정 재료로 나눌 수 있는데, 전공정 재료는 실리콘웨이퍼로부터 반도체칩을 제조할 때 소요되는 모든 재료를 말하며, 후공정 재료는 반도체칩의 기능을 외부로 연결하고 보호하는 기능을 담당하는 리드 프레임(Lead Frame), 골드 와이어(Gold Wire) 및 EMC 등을 말합니다.

반도체 공정 중에서 패키징(Packaging) 공정에서 사용되는 봉지재료(Packaging Materials or Encapsulating Materials)는 주로 몰딩 컴파운드(Molding Compound)가 사용됩니다. 반도체 패키징 기술의 핵심은 몰딩이라고 볼 수 있습니다. 반도체 봉지재료는 패키징의 목적에 맞는 특징을 지닌 재료를 사용하는데 그 요구특성은 다음과 같습니다.
① 외부환경으로부터 칩을 보호하고,
② 칩을 전기적으로 절연시켜주며,
③ 칩의 작동 시 발생되는 열을 효과적으로 방출시켜야 하며,
④ 실장(Board Mounting)이 간편해야 합니다.

몰딩은 다른 어떠한 가공법보다 간편하고 생산성이 높아 현재 반도체 봉지공정에 가장 많이 사용되고 있는 방법입니다. 에폭시(Epoxy)와 같은 열경화성 플라스틱은 세라믹(Ceramics)재료에 비하여 열안정성이나 신뢰성에서 미흡하지만 가격이 저렴하고 생산성이 월등히 높아, 현재 반도체 패키징의 대부분은 플라스틱 봉지재를 사용하고 있습니다. 매우 높은 신뢰성을 요구하는 우주방위산업용보다는 PC나휴대폰 등이 폭발적인 수요를 창출하는 반도체 산업에서 가격경쟁력과 대량생산성은 가장 중요한 요구사항입니다.

따라서 봉지재로서의 몰딩 컴파운드는 성형성을 중심으로 반도체 패키지의 효과적인 성능발현과 가혹환경에서의 신뢰성 확보가 충족되어야 합니다. 몰딩 컴파운드에서의 주요한 특성은 다음과 같습니다.
∙성형성: 유동성, 경화성, 이형성, 금형오염성, 금형마모성, 장시간보관성, 패키지 외관
∙내열성: 내열안정성, 유리전이온도(Tg), 열팽창성, 열전도성, (고온과 저온의 반복순환과정에서의) 내열충격성
∙내습성: 흡습속도, 포화흡습량, Soldering 후의 내습성
∙부식성: 이온성 불순물, 분해가스
∙접착성: 실리콘 다이, 금속 리드 프레임, 다이 패드(금속 도금막), 다이 표면의 절연막이나 보호막 등과의 접착성(특히, 고온고습에서)
∙전기특성: 각종 환경에서의 전기절연성, 고주파특성, 대전성
∙역학특성: 인장 및 굽힘 특성(강도, 탄성률, 변형률의 고온특성), 강인성
∙기타: 마킹성(잉크, 레이저), 난연성, 착색성

이와 같은 다양한 요건을 충족시키면서 원가측면에서도 봉지재의 베이스수지로 사용될 수 있는 것이 에폭시수지 입니다. 에폭시수지가 전자, 반도체산업에서 광범위하게 사용되는 이유는 전기절연성, 접착성, 내열성, 내습성, 내화학성이 우수하고, 다른 열경화성수지보다 성형수축률이 낮으며, 성형 시 휘발성 가스와 같은 부산물이 없기 때문입니다.

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