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  1. 2012.12.20 접착제 관련 Plastic Package의 신뢰성 Test

 

X = (소자 업체에서 관리하는 Baking Dry Packing까지 소요되는 시간) + ( 분배 업소에서 Dry  Packing에서 나와 있을 있는 최대 시간 )

Y = Dry Packing에서 나와 PCB 장착되야 때까지의 Floor Life

Z = Evaluation Total Soak Time

Moisture Sensitivity Levels

 

반도체는  PCB에 장착되어 최종적으로 전자 제품에 들어가게 됩니다. 따라서 소자 업체에서는 이 반도체 Device가 전자제품이나 System내에서 얼마나 오랫동안 Design된 전기적 특성을 유지할 수 있는지 즉, Device의 신뢰성을 예측할 수 있는 Environmental Test를 하게 됩니다. Plastic Package의 신뢰성 Test 는 여러 가지가 있으나 접착제에 관련된 Test를 아래와 같이 정리해 봅니다.
⑴ Humidity / Temperature - Induced Stress Test - ‘Popcorn Test’
l EIA / JESD22 - A112 - A, Test Method A112
- A “Moisture-Induced Stress Sensitivity for  Plastic  Surface Mount Device”
l EIA / JESD22 - A113 - A, Test Method A113
- A “ Preconditioning of Plastic Surface Mount  Device Prior to Reliability Testing”
JESD22-A112-A는 수분으로 인한 Stress에 민감한 Plastic SMD를 그 민감도에 따라 분류하여 Surface Mount, 또는 Rework시 Package에 Damage가 가지 않게 Guarantee할 수 있는 Packaging, Storage 및 Handling조건을 제시하기 위한 Test입니다. 수분에 의한 Stress민감도 분류와 그에 따른 Device Floor Life(수명내 끝나면 Baking이 필요함)는 상기표와 같습니다.
JESD22-A113-A Test는 다른 신뢰성 Test가 진행되기 전에 이루어져야 하며, Plastic SMD(Surface Mount Device)가 PCB에 실장 될 때의 Package내 수분흡수량 및 Solder Reflow조건을 Simulate합니다. 즉, 반도체 Package가 PCB에 실장되어 전자 제품에 조립된 후 실제로 Field에 배치될 때까지의 Simulation입니다.
A. Test 방법
□ Sample Size : 10units, 여러 민감도 Level에서 Test할 때는 각 Level마다 10unit가 필요하며 10unit중에는 적어도 2개의 Non-Consecutive Assembly Lot가 포함되어야 합니다.
□ Test Flow

 

 

□ 불량 기준
다음 현상중 한가지라도  나타나면 그 소자는 불량으로 간주됩니다.
① 40배율의  Microscope로 Inspection시 External Crack이 발견될 경우
② 상온에서의  Electrical DC 및 Functional Test결과가 Technical Data Sheet에서 벗어날 경우
③ Gold Wire 및 Ball Bond, Wedge Bond를 통과하는 Internal Crack이 발견될 경우
④ Internal Crack이 한 Lead Finger에서 다른 Lead Finger 와 Chip 및 Die Attach Paddle까지 연결될 경우
⑤ Internal Crack이 Package 내부구조부터 외부까지 거리의 2/3이상 진행된 경우
⑥ Package내부 여러 계면 중에 하나의 계면에서라도 Delamination면적이 Precondition전과 비교하여 변했을 경우(단, 그 변화는 ‘통계학적인 의미’가 있어야 하며 그 원인이 수분에 의한 불량임이 확인되어야 합니다)
B. 접착제와의 연관성
반도체용 접착제가 Package Crack이나 Delamination에 영향을 주는 변수라는 것은 여러 소자 업체에서 진행된 실험 결과를 통해 충분히 규명된 바 있습니다. 그러나 접착제의 어떤 물리적, 화학적 특성이 Delamination 및 Package Crack에 영향을 주는 지는 정확히 규명된 바 없습니다. 다만 접착제의 다음 특성들이 Package구성 Material, 즉 Epoxy Mold Compound, Leadframe 및 Chip과 같은 것들에게 복합적인 영향을 주는 것으로 추정됩니다.
□ 흡습률 : Die Attach Adhesive는 다른 Polymer (EMC포함)와 같이 수분을 흡수하며, 흡수된 수분은 Solder Reflow시 기체화되어 부피가 급격히 팽창하게 됩니다. 이에 수반되는 Tensile Stress와 Shear Stress가 Package구성 자재의 내구력을 초과할 때 Package내부 계면에 Delamination이나 Package Crack이 발생될 수 있습니다.
□ Modulus : 상대적으로 큰 Die(400×400 mil.sqr이상)와 Copper Alloy Leadframe을 Package에 사용하게 될때 접착제의 Modulus는 Delamination에 큰 영향을 주게 됩니다. 그 이유는 Silicon과 Copper와의 열팽창 계수 차이로 인해 Solder Reflow시 접착제/ Leadframe Paddle계면에 가해지는 Tensile/Shear Stress가 증가되기 때문입니다. 따라서 가중되는 Stress를 흡수하기 위해서는 접착제의 Modulus가 낮아야 합니다.
□ 접착강도: Solder Reflow시 가해지는 Tensile/Shear Stress는 접착제의 접착 강도와 내구력이 강하면 문제가 되지 않습니다. 따라서 Tensile Strength나 Shear Strength, 특히 흡습된 상태에서의 고온 접착강도는 높을 수록 좋습니다.
이런 관점에서 볼 때 Package Crack이나 Delamination Performance를 향상시키기 위해서는 접착제의 흡습률과 Modulus를 낮추고 접착 강도를 강화시켜야 합니다. 그러나 이 변수들은 접착제를 개발하는데 있어 상반적인 관계를 갖고 있어, 특정 Package의 Crack이나 Delamination을 줄일 수 있도록 최적화 되어야 합니다. 그러나 이렇게 개발된 접착제도 개발 대상 Package이외의 다른 Package에 적용시 이 ‘최적화’가 무너지는 것이 현실입니다. Die Attach Adhesive 생산업체에서는 Package의 다른 변수에 개의치 않고 양호한 Package Crack및 Delamination Performance를 발휘할 수 있는 접착제 개발에 주력하고 있습니다.
⑵  Humidity - Induced Stress Test
l JESD-22-A102-A : Accelerated Moisture Resistance Unbiased Autoclave (일명 Pressure Cooker Test)
A.  부식 Mechanism : Pressure Cooker Test(PCT)시 Package는 121℃의 온도와 103±7KPa(15±1 psig)의 Steam 압력을 받게 됩니다. 이 Test에서 나타나는 Failure Mechanism은 Wirebonding Pad의 부식입니다. 이러한 Aluminum Pad의 부식 현상은 수분과 Ionic불순물이 동시에 존재할 때 나타납니다. Plastic Package내에 존재할 수 있는 Chloride나 Bromide Ion들은 다음과 같은 화학 반응 과정을 거쳐 얇은 Oxide가 형성된 Aluminum Pad를 부식 시킵니다.

 

 

 

Epoxy의 원자재 중의 하나인 Epichlorohydrin은 원래 Chloride를 함유하고 있기때문에  Epoxy Molding Compound나 Ag-Epoxy는 둘 다 Chloride의 원천이 될 수 있습니다.
B. Test방법Epoxy의 원자재 중의 하나인 Epichlorohydrin은 원래 Chloride를 함유하고 있기때문에  Epoxy Molding Compound나 Ag-Epoxy는 둘 다 Chloride의 원천이 될 수 있습니다.
B. Test방법

 

 

 

C. 불량 기준
Electrical DC Test 및 Open/Short Test 결과가 Technical Data Sheet에서 벗어날 경우
D. 접착제와의 연관성
접착제의 Ionic Purity는 PCT결과에 직접적인 영향을 줍니다. 접착제의 경화중에 Outgassing된 유기물질이 Chip표면에 Redeposition된 경우 Wirebonding에도 영향을 줄 수 있지만 만약 Redeposition된 유기물질에 Chloride성분이 함유된 경우는 치명적인 PCT Corrosion이 발생될 수 있습니다. 따라서 접착제 제조회사는 Chloride성분을 최소화한 고청정의 Resin System을 도입하여 제품개발에 사용하고 있습니다. 간접적인 영향으로는 접착제로 인한 Die Top Delamination이 발생된  경우로  이런 Package가 PCT를 거치면 그 Gap사이로 수분이 침투할 가능성이 높기때문에 수분에 의한 Wirebonding Pad Corrosion을 유발시킬 수 있습니다.
⑶ Temperature - Induced Stress Tests
l JESD-22-A 104. Temperature Cycling
l JESD-22-A 106. Thermal Shock
Temperature Cycling은 Field에서 Plastic Package가 실제 노출될 온도 조건을 양극으로 바꿔가며 열적 Stress를 가하여 Plastic Package에 Fatigue를 초래하는 Test입니다. Thermal Shock는 Temperature Cycling에 비해 보다 열적 Stress로 인한 Package내부 구조의 다음과 같은 물리적 Damage를 두드러지게 합니다 :
- Internal or External Cracking
- Die 및  Passivation 균열
- Wirebonding 상태의 변형
- Package 내부 계면의 Delamination
A. Test방법

 

 

 

B. 접착제와의 연관성
Temperature Cycling이나 Thermal Shock시의 급격한 온도 변화는 Package내에 Stress를 줄 수 있기때문에 Die Attach Material을 포함한 Package내부에 Delamination이나 Package Crack같은 문제를 발생시킬 수 있습니다. 이러한 Test들을 Copper Leadframe에 부착된 큰 Die(>400x400 mils. sqr)에 적용할 경우 접착제의 Stress 흡수성은 필수적으로 요구되며 그 이유는 Silicon과 Copper Lead-frame의 큰 열팽창 계수(CTE)차이 때문입니다. 열로 인한 Stress는 Die가 클수록 그 정도가 높으며 심한 경우는 Die Delamination 내지 Die 균열까지 초래할 수 있습니다. 이러한 문제는 Elastic Modulus가 상대적으로 낮은 접착제를 사용함으로써 해결할 수 있고 Package 내의 접착결함, 즉 Delamination이나  Void는 T-SAM (Scanning Acoustic Microscope) 및 X-Ray로 검출이 가능합니다.

 

 

 

 

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