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문제 정의
- 본 연구에서는 PBGA 조립 과정에 플라즈마 처리공정과 처리조건들을 변화시켜서 전단강도 변화와 패키지의 신뢰성에 대해서 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 따라서 본 논문에서는 PBGA 패키지 조립 과정에 아르곤 가스를 사용하는 플라즈마 처리 공정과 처리조건들을 변화시켜서 계면 간의 접착강도에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 플라즈마 처리에 의한 패키지의 장기 신뢰성에 대해서 SAT(scanning acoustic tomography)로 관찰하였다.
제안 방법
- 분석하였다. 또한 플라즈마 처리에 의한 패키지의 장기 신뢰성에 대해서 SAT(scanning acoustic tomography)로 관찰하였다.
- 00 ㎜이다. 플라즈마 처리 전 · 후에 표면의 거칠기 변화를 분석하기 위해서 기판의 솔더 마스크 영역을 AFM(atomic force microscopy)을 이용하여 관찰하였다. 플라즈마 처리 후 접촉각(contact angle)과 젖음 지속성을 분석하기 위해서 플라즈마 처리된 기판 와 솔더 마스크 표면과 구리 리드 프레임 패드 위에 물방울을 떨어뜨려서 접촉각을 측정하였다.
- 플라즈마 처리 전 · 후에 표면의 거칠기 변화를 분석하기 위해서 기판의 솔더 마스크 영역을 AFM(atomic force microscopy)을 이용하여 관찰하였다. 플라즈마 처리 후 접촉각(contact angle)과 젖음 지속성을 분석하기 위해서 플라즈마 처리된 기판 와 솔더 마스크 표면과 구리 리드 프레임 패드 위에 물방울을 떨어뜨려서 접촉각을 측정하였다. 접촉각 측정은 전자 패키징에서 계면의 접착력과 표면 청결도를 간접적으로 측정하는 방법으로 널리 사용되고 있다10,12).
- 액체 방울의 젖음 거동은 표면 에너지의 크기에 의해서 결정된다. 접착강도 실험은 EMC를 기판 위에 형성시킨 후 마이크로 테스터를 이용하여 전단강도를 측정하였다. 또한 몰드 공정에서 플라즈마 처라 조건들을 변화시켜서 계면간의 전단 강도에 미치는 영향에 대해서 실험하였다.
- 접착강도 실험은 EMC를 기판 위에 형성시킨 후 마이크로 테스터를 이용하여 전단강도를 측정하였다. 또한 몰드 공정에서 플라즈마 처라 조건들을 변화시켜서 계면간의 전단 강도에 미치는 영향에 대해서 실험하였다.
- 실험에서 플라즈마 처리는 13.56 ㎒의 RF 제너레이터로 발생되는 PX-1000(March Co.) 장비를 사용하여 행하였다, 플라즈마 처리는 RF power: 300±10 watt, 사간: 300±10 sec, 압력: 100±20 torr, 유량: 300±10 sccm의 조건에서 아르곤과 아르곤 혼합가스 중에서 행하였다. 아르곤 혼합가스는 아르곤과 수소의 비율을 200100 sccm으로 구성하였다.
- 아르곤 혼합가스는 아르곤과 수소의 비율을 200100 sccm으로 구성하였다. 시료의 표면 조성 맟 화학적 결합상태의 분석은 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)로 수행하였다. 에너지원으로는 250 watt의 Mg Ka(1253.
- 5 eV) 방사를 사용하였다. 시료의 표면 조성 분석을 위한 wide scan 분석은 pass 에너지(Ep)를 100 eV로 수행하였다. 이러한 분석을 토대로 BGA 패키지의 장기 신뢰성을 검중하기 위해서 30℃/60% RH(relative humidity) 192시간이 경과한 후에 EMC와 기판 사이의 박리(delamination) 정도를 SAT로 관찰하였다.
- 시료의 표면 조성 분석을 위한 wide scan 분석은 pass 에너지(Ep)를 100 eV로 수행하였다. 이러한 분석을 토대로 BGA 패키지의 장기 신뢰성을 검중하기 위해서 30℃/60% RH(relative humidity) 192시간이 경과한 후에 EMC와 기판 사이의 박리(delamination) 정도를 SAT로 관찰하였다. 패키지를 봉지하는 EMC는 상용화되고 있는 3종류를 적용하였고, 표 1에 EMC의 물성치를 나타내었다.
- 이러한 분석을 토대로 BGA 패키지의 장기 신뢰성을 검중하기 위해서 30℃/60% RH(relative humidity) 192시간이 경과한 후에 EMC와 기판 사이의 박리(delamination) 정도를 SAT로 관찰하였다. 패키지를 봉지하는 EMC는 상용화되고 있는 3종류를 적용하였고, 표 1에 EMC의 물성치를 나타내었다. 표 1에서 CTE(coefficient of thermal expansion) 는 열팽창계수, Tg(glass transition temperature)는 유리 전이온도이다.
- 때문에 시료가 플라즈마 처리된 후 처리 효과가 지속되는 시간이 중요한 요소이다. 플라즈마 처리의 지속성을 분석하기 위해서 다이 부착과 와이어 접속이 완료된 시료를 플라즈마 처리하여 초기, 6시간, 18시간 동안 상온에 방치한 뒤 몰드 작업을 행하여 전단 강도를 측정하였으며, 결과를 그림 8에 나타내었다. 최초 플라즈마처리 후 6시간을 방치한 뒤 측정한 결과 전단 강도 값이 약간 증가하였다.
- 예측할 수 있다. 그림 1의 PBGA 조립공정으로 시료를 제작하여 EMC와 가판의 경계부분을 강제적으로 분리시킨 뒤 파면을 관찰하였다. 플라즈마 처리를 하지 않은 시료에서는 에폭시와 솔더 마스크 부분이 관찰되는 계면 파단이고, 플라즈마 처리된 시료에서는 유리섬유와 레진, 구리 패턴이 관찰되는 레잔 파단으로 사료된다.
대상 데이터
- 아르곤 플라즈마 처리는 다이 부착과 몰드 과정 전에 행하였다. 실험에 사용된 패키지는 119/196 PBGA이며, 패키지의 외관 치수는 22×14/15×15 ㎜이고, BT 기판 두께는 0.56㎜이고, 공납 피치는 1.27/1.00 ㎜이다. 플라즈마 처리 전 · 후에 표면의 거칠기 변화를 분석하기 위해서 기판의 솔더 마스크 영역을 AFM(atomic force microscopy)을 이용하여 관찰하였다.
- ) 장비를 사용하여 행하였다, 플라즈마 처리는 RF power: 300±10 watt, 사간: 300±10 sec, 압력: 100±20 torr, 유량: 300±10 sccm의 조건에서 아르곤과 아르곤 혼합가스 중에서 행하였다. 아르곤 혼합가스는 아르곤과 수소의 비율을 200100 sccm으로 구성하였다. 시료의 표면 조성 맟 화학적 결합상태의 분석은 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)로 수행하였다.
- 시료의 표면 조성 맟 화학적 결합상태의 분석은 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)로 수행하였다. 에너지원으로는 250 watt의 Mg Ka(1253.5 eV) 방사를 사용하였다. 시료의 표면 조성 분석을 위한 wide scan 분석은 pass 에너지(Ep)를 100 eV로 수행하였다.
성능/효과
- 일반적으로 플라스틱 BGA 라고도 불리며, ASIC, 휴대용 전화기, 휴대용 컴퓨터, 노트북 컴퓨터 등 소형화로 고밀도 실장이 펄요한 각종 기기에 광범위하게 사용되고 있다. 현재 모든 IC(intergrated circuit) 가운데 BGA의 비율은 10% 정도이지만 게이트 어레이(gate array)에 있어서 BGA 비율은 50%가 되며, 현재 주류가 되고있는 QFP(quad flat package)를 상회할 정도로 급격한 신장을 보이고 있다. PBGA 계열의 성장은 종래 패키지와 같은 신뢰성을 가지면서 공납에 의해 신호가 전달되어 기생적인 인덕턴스, 캐패시턴스에 의한 잡음에 강하다.
- 플라즈마 처리 후 솔더 마스크 표면에서의 XPS 조성 분석 결과 플라즈마 처리를 하지 않은 시료에서 보다 C, C1 등의 성분은 감소하는 경향을 보였고, O, Ca, Mg 등의 성분은 증가하는 경향성을 보였다. 하지만 Cl, Ca, Mg 성분의 조성비는 3.
- 즉, energetic species인 아르곤에 의해 이온 충격 (bombardment) 효과 및 O2 등의 플라즈마 효과에 의해서 반응성이 강한 CO 등의 휘발성(volatile) 물질이 생성되어 표면에서 탈리되어진다[11]. 이를 통해 계면 접착력을 저해하였던 C에 의한 유기(organic) 잔류물 층(residue layer)이 제거되어 계면 접착력이 향상됨을 알 수 있었다. 하지만 플라즈마처리후에 Ba가 생성된 것은 불분명하다.
- 이러한 플라즈마 처려 효과는 15시간 이상 유지됨을 확인하였다.
- 그림 5 에서 보는 바와 같이 모든 종류의 EMC에서 플라즈마 처리에 따른 전단강도 값의 향상이 있었다. 하지만 EMC의 종류에 따라서 전단 강도 값에 차이가 있었으며, EMC C의 경우 47.1 N에서 87.3 N으로 전단강도 값이 2배정도 향상되었다. 이와 같은 결과는 EMC의 물성치와 EMC를 구성하고 있는 조성비의 차이에 의해서 발생되는 것으로 판단된다.
- 플라즈마 처리의 지속성을 분석하기 위해서 다이 부착과 와이어 접속이 완료된 시료를 플라즈마 처리하여 초기, 6시간, 18시간 동안 상온에 방치한 뒤 몰드 작업을 행하여 전단 강도를 측정하였으며, 결과를 그림 8에 나타내었다. 최초 플라즈마처리 후 6시간을 방치한 뒤 측정한 결과 전단 강도 값이 약간 증가하였다. 그러나 18시간이 경과한 EMC B 에서는 전단 강도 값의 변화가 없었으며, EMC C에서는 약간 감소함을 확인하였다.
- 최초 플라즈마처리 후 6시간을 방치한 뒤 측정한 결과 전단 강도 값이 약간 증가하였다. 그러나 18시간이 경과한 EMC B 에서는 전단 강도 값의 변화가 없었으며, EMC C에서는 약간 감소함을 확인하였다. 따라서 10시간 이상 플라즈마 처리 효과가 유지되는 것으로 판단되나 플라즈마 효과를 극대화하기 위해서는 가급적 빠른 시간 내에 후속 과정인 몰드 작업이 필요하리라 생각된다.
- 1) 플라즈마 처리에서 계면 접착력에 영향을 미치는 성분은 C와 O로 판단된다, 즉, energetic species인 아르곤에 의해 이온 충격 효과 및 O2, 등의 플라즈마 효과에 의해서 반응성이 강한 휘발성 물질이 생성되어 표면에서 탈리되어 진다. 이를 통해 계면 접착력을 저해하였던 C에 의한 유기 잔류물 층이 제거되어 계면 접착력이 향상됨을 알 수 있었다.
- 이를 통해 계면 접착력을 저해하였던 C에 의한 유기 잔류물 층이 제거되어 계면 접착력이 향상됨을 알 수 있었다.
- 2) AFM 분석 결과 RMS 거칠기 값이 48.6 ㎚에서 54.8 ㎚로 증가하여, 솔더 마스크와 EMC 사이의 접착력을 향상시키는 요소로 판단된다.
- 3) 다이 부착 전에 행하는 플라즈마 처리는 에폭시의 젖음 특성을 향상시킨다, 또한 보이드의 발생 억제와 계면 접착력 향상에 기여하며, 젖음 특성은 15시간 이상 유지됨을 확인하였다.
- 또한 그림 7에는 RF power: 300±10 watt, 압력: 100± 20 torr, 유량: 300± 10 sccm의 조건에서 플라즈마 처리 시간이 1분에서 10분까지 변화되면 초기인 1분에서는 112 N 이였고, 5분이 경과한 후에는 108 N으로 감소되었다. 이후 처려 시간이 10분이 경과해도 전단 강도에는 큰 차이가 없음을 확인하였다. 이와 같은 결과는 플라즈마 처리가 10초 이내의 짧은 시간인 경우에는 계면 접착력예 영향을 미치는 C 성분의 감소가 1% 이내로 작았지만[12], 1분 이상의 시간이 경과하면 플라즈마 효과는 포화(saturation) 단계에 도달하는 것으로 판단된다.
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