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  1. 2013.01.23 Surface Analysis

2013. 1. 23. 08:30 접착제시험

Surface Analysis

⑴ Organic Contamination 및 제거 방법
Plastic Package에 있어서 Interface상의 Organic Contamination은 공정중의 Gas, 수분, Resin Bleed성분 또는 경화중에 배출되는 Fume이 Redeposition되면서 생길 수 있습니다. 또한 Container자체의 Outgassing과 Dicing Tape로부터 나올 수 있는 유기물질도 Contamination의 원인이 될 수 있습니다. 이러한 Organic Contamination이 Package 신뢰성에 치명적인 Failure의 요인이 될 수 있습니다. Chip이나 Leadframe Surface상의 유기오염 물질은 EMC와의 Bonding을 방해하며 Adhesion Strength를 현저히 저하시킬 수 있기 때문에 Delamination을 발생시킬 수 있고 PCT Corrosion과 같은 치명적인 문제를 일으킬 수 있습니다. 뿐만 아니라, Chip Surface의 유기오염 물질은 Wirebonding시 BNS(Bond-No-Stick)를 유발하거나, Ball Shear Strength를 현저히 낮출 수 있기 때문에 신뢰성 Test에서 Failure의 원인이 될 수 있습니다.
일반적으로 Organic Contamination의 제거는 UV/Ozone이나 Plasma(

O2포함) Cleaning으로 가능하며 그 Mechanism은 반응성이 높은 Oxygen Radical들이 Organic과 반응하여 CO 또는 CO2로 기체화되어 증발하는 것입니다. 다른 방법으로는 Freon을 사용한 Degreasing이 있지만 최근에는 환경오염 문제로 그 사용이 감소되는 추세입니다.

 

 

Contact Angle Measurement

표1 Liquid Surface Tension

표2 표면 분석기기의  특성비교

 

⑵ Surface Analysis
Surface상의 Organic Contamination을 확인할 수 있는 간단한 방법으로는 Water Contact Angle을 측정하는 방법이 있으며 분석방법으로는 AES(Auger Eletron Spectroscopy)와 XPS(X-Ray Photoelectron Spectroscopy) 및 SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)가 있습니다. 이러한 기기들의 특성비교는 <상기표2>와 같습니다.


A. Water Contact Angle Measurement
Silicon Chip이나 Leadframe상의 유기오염물질은 Water Contact Angle 측정으로 확인할 수 있습니다. 이 Technique은 친수성인 Silicon Oxide와 소수성인 유기오염 물질이 각각 5°와 45°의 Contact Angle차이를 나타내는 것에 착안한 것으로 Liquid 한 방울을 Drop시킨 후 Substrate와의 Angle을 측정하는 방법입니다. 따라서 Water Contact Angle이 낮을수록 표면오염도가 낮으며 반면에 Contact Angle이 클수록 오염도는 높다고 볼 수 있습니다. 참고적으로,  Contact Angle의 계산방법과 여러물질의 Liquid Surface Tension을 <상기그림>과 <상기표1>에 나타내었습니다.

 

 

XPS와 AES의 비교

 

B. Auger Electorn Spectroscopy(AES)와  X - Ray Photoelectron Spectroscopy(XPS)
일정한 에너지를 시료에 조사하여 방출된 전자를 측정하는 전자 분광법으로서, 에너지 원으로 X-Ray와 전자Beam을 이용하는 AES와 X-Ray를 이용하는 XPS는 H2와 He을 제외한 주기율표상의 모든 원소를 확인할 수 있을 뿐만 아니라 산화 상태 및 화학종의 결합 형태를 알수 있는 아주 유용한 측정 방법입니다. 시료에 X-ray를 가하여 방출된 전자를 측정하는 것이 XPS이며, X-Ray나  전자Beam에 의해 들뜬 상태의 시료가 다시 안정화 상태로 돌아가려는 과정(Relaxation process) 중에 X-ray 형광이나 Auger electron의 방출이 있게 되는데 그 중 Auger electron을 측정하는 방법이 AES입니다.
XPS는 ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)로 널리 알려져 있습니다. H2와 He을 제외한 모든 원자에 대해 방출되는 특정한 전자를 측정할 수 있기 때문에 무기 화합물에 포함되어 있는 원소의 산화상태를 확인할 수 있으며, XPS의 광원에서 방출된 광전자는 고체의 약 10~ 50Å이상의 층을 통과하지 못한다는 것이 단점이긴 하지만, 이를 이용해 반도체 표면의 오염 정량, 조성 분석등의 표면 연구에 많이 사용하고 있습니다. 시료의 조성원소 정량 분석에 있어서는 아직까지 오차 발생률이 높기 때문에 충분한 연구가 더 필요합니다. AES의 고유한 장점은 원자 번호가 낮은 원자에 대해 감도가 높고, Auger electron의 낮은 에너지로 인해 고체의 약 3~20Å정도만 투과할수 있어 앞에서 언급한 XPS보다 정확한 표면 정성분석이 가능합니다. 또한 표면을 Argon Ion Beam으로 Sputtering시켜 깍아 내면서 표면의 조성원소를 측정하는 단면 분석은 Auger Micro Analyzer를 이용하게 되는데, 측정된 표면의 원소 조성을 통해 Contamination Mechanism, 부식 화학, 촉매 행동 및 반도체 접촉면의 성질 연구에 유용합니다.


C. SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry)
분석물질의 화학적 결합상태및 질량을 알수 있는 Mass Spectrometry는 시료를 이온화시키는 방법에 따라 그 종류가 매우 많고 새로운 방식의 Mass Spectrometry가 계속 개발되고 있습니다. 그 중  SIMS는 원자나 분자에 108 V/cm 정도의 전기장으로 고속의 Ion beam(Primary ion)을 형성시켜 시료의 표면을 쪼이게 되면 고속원자가 표적 표면과 충돌할 때 운동량이 전달되고 이로 인하여 표면 근처의 구조가 엉클어져 시료에서 Neutral Beam보다 높은 운동에너지(Kinetic energy)를 지니는 이온이 방출되는데, 이때의 이차 이온(Secondary ion)을 분석함으로써 표면의 성질을 파악할 수 있습니다. 이 때 사용되는 Ion beam으로는 주로 3He+, 16O+, 또는 40Ar+ 등이 주로 선택되어 지는데, 이는 높은 운동에너지를 지님으로써 분자량이 높은 물질(3,000~ 13,000)에 대해서 좋은 감도를 보이게 됩니다. 분석 방법으로 주로 시료를 직접도입기(DIP:Direct Insertion Probe)를 사용하여 질량분석기에 직접 주입하거나 액체 크로마토그래프(LC:Liquid Chromato - graphy)를 사용하여 시료를 용매에 녹여 질량분석기에 주입할 수 있습니다.  SIMS에 의한 분석은 염과 같은 비휘발성 물질이나 쉽게 열분해되는 물질의 질량 스펙트럼을 얻는데 매우 유용합니다. 이러한 원리로 인해 SIMS는 H2를 포함한 모든 표면의 원자 구성을 알아 낼수 있을 뿐 아니라, 분자 화합물의 구조와 동위원소(Isotope) 확인이 가능합니다. 최소 시료의 양(깊이 0.2~ 0.5nm)으로 ppb단위의 검출 한계를 가지는 장점이 있으며 Absorbed Ion Image, Elemental Live Scan, Images of Surface Constituent 같은 표면 Information을 얻을 수 있습니다. 전자 분광법은 앞에서 언급한 대로 정량분석에 있어 오차가 발생하지만 SIMS는 안정한 동위원소를 Internal Standard로 사용한 정량분석이 가능합니다. 이러한 SIMS의 장점을 이용한 Ion Imaging of a Defective Ion Bond Pad Area, Solder Wetting Analysis, Organic Surface Contamination, Submicron Spatial Resolution Failure Analysis, Insulating Glass Composition등의 응용, 분석이 이루어 지고 있습니다.

 

 

 

 

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