서강대학교

초록/요약

언더필(underfill)은 epoxy계 수지와 무기 filler의 복합재료로서 flip-chip 패키징 공정시 칩과 패키징용 회로기판 사이를 채우기 위한 목적으로 사용된다. 이러한 언더필 공정의 중요한 목적 중의 하나는 플립칩과 회로기판 사이의 솔더범프 접합의 신뢰성 문제, 즉 열팽창계수 차이로 인한 기계적인 파손으로부터 마이크로 솔더링에 의한 범프를 보호하기 위함이다. 이러한 목적의 언터필의 기술로 현재 반도체 패키징 용도로 사용되는 것으로서 크게 세가지 종류가 있다. 가장 많이 쓰이는 언더필 소재는 모세관 현상을 이용해서 플립칩 다이의 주변으로 언더필 패턴을 그려 넣어서 칩과 회로기판 사이로 표면장력에 의해서 스며들게 하는 케필러리(capillary) 언더필이다. 칩과 회로기판 사이를 채우는 공정이 완료된 후에는 칩이 접합된 회로기판을 경화공정용 오븐에 넣어서 완전경화를 시키게 된다. 또 다른 언더필 기술로서 no-flow 언더필이 있다. No-flow 언더필 역시 epoxy계의 flux와 기존 언더필 재료를 하나로 만든 epoxy계 복합재료로서 플립칩 솔더 접합공정과 언더필 공정으로 나누어진 기존 케필러리 언더필의 공정들을 하나의 공정으로 만들려는 아이디어에서 만들어지게 되었다. 이것은 flux 사용을 대처하고 칩을 공정 중 틀어지지 않도록 잡아주며 플립칩과 회로기판 사이의 솔더링을 위한 리플로우 공정 또는 칩 접합을 위한 열 압착 공정을 통해서 완전 경화가 되게 된다. 본 연구에서 고찰한 세 번째 언더필 방법은 MUF (molded underfill) 방법으로서 이것은 기존의 EMC(epoxy molding compound) mold encapsulation 공정시 사용하는 transfer molding 장비를 그대로 활용하여 기존의 언더필 영역까지 채울 수 있는 소재를 사용한다. MUF 공정에서는 칩을 보호하기 위한 encapsulation 공정에 별도의 언더필 공정이 없이 mold compound를 통해서 언더필 영역을 채우는 공정이 동시에 이루어지게 된다. 이러한 MUF 공정은 비용절감의 차원에서도 중요한 차세대 플립칩 기술로서 기존의 케필러리 언더필이나 기타 언더필 소재를 활용하는 공정들에 비해 공정의 단축, 공정 소요시간의 감소, 소재나 장비의 비용적인 측면 등에서 큰 장점을 가진다. 본 연구에서 저자는 상기에 언급한 세가지 종류의 언더필 소재의 경화거동과 유변학적 거동을 고찰하여 플립칩 언더필 공정방법 별로 공정의 안정성과 제품의 신뢰성 확보를 위해 필요한 연구를 수행하였다. 첫번째로 경화가 완료된 케필러리 언더필의 점탄성 거동에 대한 분석을 통한 시간과 온도에 따른 플립칩 패키지의 휨(Warpage) 거동에 대한 모델을 개발하였고 실험으로 이러한 거동을 예측하였다. 대부분의 언더필 소재들은 열경화성 고분자 수지에 기반한 복합재료로서 경화공정이 완료된 후에도 공정상에서 발생하는 시간과 온도에 따른 점탄성 거동을 보인다. 그러므로 언더필 소재에 대한 점탄성 거동 및 유변학적 거동에 대한 이해는 플립칩 패키지의 안정된 품질과 신뢰성을 확보하는데 있어서 매우 중요하다. 본 연구에서는 언더필 소재의 선형 점탄성 거동에 대하여 hysteresis 거동, 즉 sinusoidal 파형의 변형거동을 인가하였을 때의 응력거동을 분석하였다. 또한 언더필 소재로 인한 플립칩 패키지의 휨 거동에 대한 시간과 온도에 대한 효과를 보기 위하여 응력완화 (Stress relaxation) 거동을 막대(bar) 형태의 언더필 시편을 만들어 Torsion 법을 수행하여 확인하였다. 경화 후 언더필에 대한 유변학적 구성방정식을 얻기 위하여 Generalized Maxwell 모델과 William Landel Ferry (WLF) 식을 사용하였다. 12x12mm 크기의 bare die 플립칩 패키지의 시간과 온도에 따른 휨 거동을 실시간으로 측정하기 위해 shadow moiré 방법을 이용한 패키지 휨 측정장비를 사용하였다. 유한요소법(FEM)을 통해서 경화 후 언더필의 점탄성 거동을 고려한 시간과 온도의 효과를 보기 위한 모델링을 수행하였고 점탄성 거동을 고려한 경우 탄성거동만을 고려한 모델 보다 더 정확하게 리플로우 공정 전 후의 패키지 휨 정도의 변화를 예측할 수 있었다. 이를 통하여 언더필에 대한 시간과 온도에 따른 점탄성 거동을 고려한 모델링 기법이 공정상에서 발생하는 패키지내의 열이력에 의한 플립칩 휨 거동의 특성을 잘 설명해주며 효과적으로 휨을 개선할 수 있는 방법을 제시하였다 두 번째로 no-flow 언더필의 경화거동에 대한 특성에 대한 분석 및 경화 거동 예측 모델을 개발하는 연구를 수행하였다. 앞에서 이미 언급했듯이 기존의 케필러리 언더필은 공정상 여러가지 문제점을 야기한다. 종래의 케필러리 공정의 경우 칩과 회로기판 사이에 언더필 패턴을 그려서 표면장력에 의한 흐름으로 채우게 된다. 그러나 이것은 종종 매우 느리고 완전히 채우지 못하게 될 경우가 많고 결국 언더필 내부의 void를 남기게 되어 신뢰성 문제의 원인을 제공하게 된다. 또한 표면장력에 의한 흐름이 전달되는 과정 중에서 수지와 filler의 분리현상이 일어나 언더필 영역의 물성상의 비균일성을 야기하기도 한다. 또한 언더필 경화공정은 별도의 추가 시간을 요하기도 한다. 이러한 여러 문제들은 플립칩의 크기가 커지고 또한 플립칩 범프 단자의 수가 많아지고 미세해질수록, 또한 언더필과 회로기판 사이의 간격이 작아질수록 더 심각하게 발생하게 된다. 이러한 케필러리 언더필 공정의 몇몇 문제점들에 대한 개선을 위해서 no-flow 언더필 방법이 제안되었다. No-flow 언더필 기술은 케필러리 언더필 기술에 비해서 flux공정과 세정 공정을 제거함으로 공정 단계를 획기적으로 단축하게 되었으며 또한 케필러리 언더필 적용시 시간이 많이 소요되는 언더필 토출 단계 및 상대적으로 느린 표면장력에 의한 흐름의 진행이 필요 없이 플립칩 범프의 접합과 리플로우, 언더필 경화를 하나의 공정단계로 통합함으로 언더필 공정의 생산 효율성을 크게 향상시키게 되었다. 이러한 no-flow 언더필 공정이 성공적이기 위한 가장 중요한 요소 중의 하나는 no-flow 재료의 배합과 열에 의한 경화 거동의 이해와 긴밀하게 연관되어있다. No-flow 언더필은 공정상 수지가 경화가 일어나기 전에 솔더링 접합에 의한 금속간 상이 먼저 형성되어야 하기 때문에 상당히 높은 온도의 특정 조건에서는 수지가 충분히 낮은 점도를 유지해야 하며 일단 금속간 상이 형성된 후에는 순간적으로 경화가 되어야 하는 특성을 가져야 한다. 이러한 성질을 reaction latency라고 한다. 만약 이러한 경화반응 속도에 대한 특성이 만족되지 않게 되면 부분적으로 혹은 완전히 경화된 언더필 수지에 의해서 용융된 솔더와 플립칩 접합부와의 젖음성이 방해가 되고 전기적으로 단락에 의한 불량이 발생하거나 접합부의 신뢰성이 매우 취약하게 된다. 그러므로 no-flow 언더필의 경화거동과 특성을 정확하게 이해하는 것은 안정적이고 신뢰성 있는 공정 조건을 확보하는데 있어서 매우 중요하다. 그러나 종래에는 이러한 no-flow 언더필 적용시의 경화거동과 접합 온도 및 기타 공정 조건과의 관계에 대한 연구가 극소수에 불과하였다. 본 연구에서는 반도체 플립칩 패키징에서의 no-flow 언더필공정에서의 열이력에 의한 경화거동을 효과적으로 설명하기 위하여 epoxy-amine계 수지와 복합재료내의 마이크로미터 단위 이하의 실리카 filler들과의 표면반응 고려한 경화반응 모델을 수립하였다. 자촉매(autocatalytic) 반응을 설명하는 반응속도 파라미터를 추출하기 위한 실험방법과 새로운 경화반응 모델을 제안하였다. 미분주사선 열량계 (differential scanning calorimeter : DSC)를 활용하여 실리카 충전제의 함량에 따른 표면반응과 전체 반응의 변화를 확인하였다. 실험을 통한 결과를 볼 때 동일한 수지 내의 단위질량당 반응열이 충전제 함량의 증가에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다. 경화모델을 구하는 방법과 모델의 파라미터를 추출하는 방법도 개발되었으며 이 모델은 초기반응 속도, 충전제 표면에서의 반응, 유리화(vitirfication) 영역에서의 경화도, 등온 조건에서의 반응 속도 상수의 변화를 고려한 현상학적인 반응 속도 관련 특성을 잘 보여준다. 이러한 방법론을 기초로하여 비선형 회귀분석법을 사용하지 않고도 충전제의 함량의 변화와 등온조건 변화에 따른 반응속도 모델의 예측결과와 실제 실험결과가 잘 들어 맞는 것을 보여 주었다. 세 번째 수행한 연구는 MUF (molded underfill)의 화학반응이 고려된 유변학적 모델식의 수립과 이를 활용한 경화거동을 동반한 MUF 공정에 대한 유동 모델링 방법을 개발 및 언더필 영역에서의 void를 최소화하기 위한 공정과 제품설계에 관한 것이다. MUF는 근래에 가장 기대 받고 있는 차세대 저비용 플립칩 패키징 공정기술로서 앞서 언급한 케필러리 언더필과 no-flow 언더필에 비해서 공정의 간소화 공정시간의 단축 소재와 장비의 가격 등 여러 측면에서 볼 때 많은 장점을 가지고 있다. 그러나 이러한 MUF공정의 최대의 난관은 공극(void)를 제거하기 위한 소재의 개발과 적절한 공정의 안정성 확보가 어렵다는데 있다. 이러한 언더필 영역 내에 채워지지 않는 공극의 문제를 개선하기 위하여 저자는 플립칩 패키지온 패키지 (Package on Package) 의 몰드금형 내에 몰드 vent 구조를 제안하였으며 이러한 구조의 효과를 검증하기 위하여 실험과 열경화성 MUF의 경화 반응 속도 모델을 고려한 유변학적 유동 모델링을 통하여 검증하였다. 상용화 되고 있는 MUF 소재로부터 반응 속도 모델이 포함된 유변학적인 구성방정식의 파라미터들을 평행판형 레오미터(parallel plate rheometer)와 미분주사선 열량계 분석을 통해서 추출하여 모델을 구성하였다. 유한요소법에 기초한 몰드금형 내의 유동 전산모사결과는 실험을 통한 MUF의 유동 선단의 변화와 거의 일치하는 결과를 보였으며 언더필 영역내의 공극 (void) 형상은 SAT(Scanning acoustic tomography)를 통한 비파괴 검사를 통해서 그 크기와 형상을 확인 할 수 있었으며 이 또한 전산 유체역학에 의한 예측 결과가 잘 표현해주고 있음을 확인 할 수 있었다. 또한 MUF 공정의 몰드 형상에서 기존의 몰드를 사용하였을 경우는 여전히 언더필 영역 내부에 공극(void)이 심하게 발생하는 것을 볼 수 있었으나 몰드 vent를 사용한 경우는 이러한 공극을 획기적으로 줄일 수 있었다. 공극과 관련된 효과는 몰드 게이트의 위치, MUF내 filler의 최대 크기 등에도 영향을 받는 것을 볼 수 있었다. 이 연구를 통해서 저자는 새롭게 고안된 remote film mold vent의 구조가 MUF 공정시의 언더필 영역 내의 공극 제거에 매우 효과적임을 확인 할 수 있었다. 요약하면, 본 연구에서 개발된 유변학적인 모델과 반응속도 모델을 통한 소재의 특성을 고려한 예측방법을 통해서 저자는 반도체 플립칩 패키징 내에서 빈번하게 발생하는 비선형적인 휨 문제와 같은 온도와 시간에 따라 변화하는 소재의 유변학적 거동에 대한 예측 및 현상학적인 이해방법을 제시하였다. 또한 no-flow 언더필과 같이 경화거동에 대한 정확한 이해가 필요한 소재에 대한 새로운 반응 모델을 개발하여 초기반응 속도, 충전제 표면에서의 반응, 유리화(vitrification) 영역에서의 경화도, 등온 조건에서의 반응 속도 상수의 변화를 고려한 현상학적인 반응 속도 관련 특성을 잘 보여 줄 수 있는 모델을 제안하였다. 마지막으로 저자는 MUF 공정에서의 가장 해결이 어려운 난 문제인 void 문제를 해결할 수 있는 방법인 remote film mold vent법을 제시하였고 이와 관련된 MUF 소재의 분석을 통한 경화거동이 고려된 유변학적 구성방정식의 모델 파라미터를 구하여 공정상의 현상을 이론적으로 예측하고 이해할 수 있는 방법을 제시하였으며 이와 관련되어 실험을 통하여 그 효과 및 예측이 잘 맞고 있음을 보였다. 이 모든 연구 수행을 통하여 가능성이 있고 실용적인 방법을 통해서 최근에 개발되고 있는 언더필 플립칩 패키징 공정에서의 여러 가지 기술적인 문제에 대한 해결책을 제시 하였다.