반도체 패키징- Die Bonding의 주요 재료 및 주요 불량 모드

주요 재료 (1) - Lead Frame (리드 프레임)

리드 프레임은 소자를 구성하는 핵심 부품으로써 반도체 칩과 기판의 전기적 신호를 절단하고, 외부의 습기, 충격 등으로부터 칩을 보호하며 지지해 주는 역할을 합니다.

 

리드 프레임은 칩을 외부와 연결하는 다이 패드(Die Pad)와 리드(Lead)로 구성되며 웨이퍼로부터 잘린 칩들은 금(Au) 선으로 연결되어 단자에 물리적으로 접촉하게 됩니다. 우수한 화학적 접착성 및 열 확장성, 전도성이 특징으로 가장 많이 사용되는 합금 비율은, Alloy 42(Fe 58%, Ni 41%, Mn 0.8%, Co 0.5%)이며 접착성과 열 확장성이 우수하고, 대체로 구조가 상대적으로 간단한 일반 패키지 구조에 사용되는 출력 단자 수가 적은 소자에 적합합니다. 특히 저렴한 가격과 작은 크기 그리고 우수한 전기 및 열 특성으로 LED 및 휴대용 제품에 많이 사용됩니다.  

 

 

 

주요 재료 (2) - Alloy 42 합금(Ni계 합금)

니켈(Ni)계 합금은 철(Fe)계 합금이며, 42 합금(Alloy)은 42 니켈-철-(Ni-Fe) 합금을 말합니다. 니켈-철 합금은 인바(In-bar)라고 불리며, 니켈 조성에 따라 열 팽창률이 적고 인장강도가 50~90kg/mm3로 강도면과 패키징 후의 기밀성 면에서 리드 프레임 재료로서 신뢰성이 높은 반면, 동계 합금보다 2배 이상의 고가로 Dram 재품에 주로 사용됩니다. 

 

구리계와 니켈계 리드프레임의 비교

종류	장점	단점
Cu 계 (Copper Lead Frame)	- 가격 저렴 - 도전율 우수 - 방열성(열전도도) 우수	- 강도 낮음 - 열팽창률 문제
Ni 계 (Alloy 42 Lead Frame)	- 열팽창률 조절 - 강도 우수 - 기밀성 우수	- 고가 - 도전율, 방열성 낮음

 

주요 재료 (3) - 접착제 

접착제(Adhesive)는 민감한 Micro Electronics에서 열 방출이 중요하므로 좋은 열전도도가 필수적입니다. 비부식성 제재로 Micro Electronics에 대한 공격성이 없어야 하며 빠른 접합과 빠른 경화속도가 고속 생산라인에 적합해야 합니다. 자동 정밀 디스펜싱이 가능하도록 최적의 점도 및 스크린 인쇄가 가능하고 Die에 응력을 가하지 않고 부품 간 열팽창 및 수축차이에 대처가 가능하며 또한 다른 조건으로는 균열 없이 충격에 대처할 수 있어야 하고 Die 또는 Substrate에서 분해, 부서짐, 느슨함 등이 없어야 합니다. 열 경화 필요시, 경화 온도가 낮고 경화 시간이 짧을수록 좋습니다.

 

Die-bonding-주요-재료

 

 

Die Bonding 주요 불량 모드

1. 계면의 Void 현상

다이와 기판의 계면이 접착제에 의해 제대로 접착이 안되면 Void가 발생합니다. 나머지 조립 공정을 진행하면서 패키지에 균열을 발생, 습기 신뢰성 평가 시 팝콘 균열현상 등의 신뢰성 문제로 이어집니다. 

다이와 기판 사이의 전도성 접착제를 사용하는 경우 X-ray 장비로 검사하고 비전도성 접착제의 경우 SAT(초음파를 이용한 스캐닝 장비)를 이용해 검사하며  Void하나가 5%를 넘거나, 전체 Void가 20%를 넘으면 불량으로 판정됩니다. 

 

2. 에폭시 커버리지 (Epoxy Coverage)

에폭시가 적당량 사용되었는지를 파악하는 것이 매우 중요하고 에폭시의 양이 많으면 몰딩 공정에서 다이의 위치가 변할 수 있습니다. 반대로 에폭시의 양이 적으면 Void가 발생합니다. 다이 주변에 적어도 75%가 나와야 하지만 에폭시가 밖으로 나오는 것은 최소화되어야 한다. 눈으로 보거나 저배율 현미경을 이용해 확인할 수 있습니다.

 

3. 에폭시 필렛 높이 (Epoxy Fillet Height)

 

에폭시의 높이가 적당한지 평가가 필요합니다. 필렛의 높이가 형성 안되면 다이가 제대로 접착이 되지 않고 몰딩 공정에서 다이가 움직여 불량이 발생할 수도 있습니다. 필렛의 높이는 다이 높이의 95%를 넘지 않도록 조절이 필요하고 다이 윗면을 넘지 않아야 합니다. 필름 형태의 접착제는 필렛 높이에 대한 기준은 없습니다. 

 

4. 본딩 라이 두께 (BLT, Bonding Line Thickness)

에폭시 본딩 라인 두께가 제대로 형성되어야 와이어 본딩에서 불량이 발생하지 않습니다. BLT는 Void와도 연계되는데 다이 표면이 평평하지 않으면 와이어 본딩 시 볼 형성이 제대로 되지 않아 패드와 연결되지 않을 수 있습니다. 확인을 위해서는 고배율 현미경을 이용할 수 있고 다이 표면의 4개의 끝점에서의 접착제 두께를 Curing 전과 후에 측정하여 확인합니다.

 

 

5. 다이 위치

다이가 기판 위에 제대로 놓이지 않으면 와이어 본딩 공정에서 문제가 발생합니다. 다이는 패들의 경계를 넘으면 안 되고 본딩 다이아그램애 표시된 위치에서 2도 이상 회전하면 안 됩니다. 육안과 현미경을 이용해 검사할 수 있습니다.

 

6. 에폭시 오염

에폭시에 의해 다이 패드가 오염되면 와이어 본딩 공정에서 와이어와 패드의 본딩이 되지 않습니다.  전도성 접착제가 다이의 윗면에서 올라가거나 다이의 본딩 패드에 묻으면 안 되며 비 전도성 접착제가 254um 크기로 본딩 영역이 아닌 곳에 있는 경우는 문제가 아닌 것으로 판단합니다. 육안과 현미경을 이용해 검사할 수 있습니다.

 

7. 다이 전단강도 평가 DST(Die Shear Test)

다이 본딩이 제대로 되어 있지 않은 경우 몰딩 공정에서 다이가 움직이는 문제가 발생할 수 있어 DST(Die Shear Test)를 실시합니다. DST 전용 장비를 이용하여 오븐 Curing이후에 실시하며 다이 접합도는 에폭시 종류에 따라 다릅니다. 제조회사에서 제시한 데이터 시트보다 값이 낮으면 문제가 있는 것으로 판정됩니다.