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문제 정의
- 본 연구에서는 Cu패드 위에 코팅된 OSP층의 변색 현상 및 원인을 각 전자 패키지 공정 온도에 따라 분석하였으며 변색에 따른 기계적 특성을 평가하였다.
- 따라서 OSP 층 내부에 형성된 Cu2O 및 CuO를 효과적으로 제거할 수 있는 post-flux를 선택할 수 있다면 Cu 패드와 솔더볼 간의 계면 접착력 향상을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 FTIR분석을 통하여 OSP층 내부에 형성된 Cu 산화물이 어떤 것이지 분석하였다.
제안 방법
- OSP 막 두께는 20개의 시편을 준비 하여 FIB(focused ion beam)를 이용하여 측정하였고, 95% 신뢰구간에서 통계적 기법을 통하여 시편 간유의 차 분석 및 공정 능력분석을 수행하였다. OSP 층의 변색은 전자 패키지 공정 별로 도출하였으며 XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) 및 FTIR (fourier transform infrared spectroscopy)를 이용하여 변색 원인을 정 량적으로 해석하였다.
- OSP 막 두께는 20개의 시편을 준비 하여 FIB(focused ion beam)를 이용하여 측정하였고, 95% 신뢰구간에서 통계적 기법을 통하여 시편 간유의 차 분석 및 공정 능력분석을 수행하였다. OSP 층의 변색은 전자 패키지 공정 별로 도출하였으며 XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) 및 FTIR (fourier transform infrared spectroscopy)를 이용하여 변색 원인을 정 량적으로 해석하였다. OSP 처리된 기판은 전자 패키지 조립 공정인 건조공정 (125°C, Ihr), 칩 다이 접합공정 (175°C, 15min), Au 와이어 접합 공정(170。(二 15min), 에폭시 몰딩 공정 (180°C, Imin), 몰딩 경 화 공정 (175。(二 5hr), 솔 더 접합 공정을 거쳐서 최종 제품을 형성하였다.
- OSP처 리 된 기 판의 변색 및 막 두께를 각각 분석하였다. OSP 막 두께는 20개의 시편을 준비 하여 FIB(focused ion beam)를 이용하여 측정하였고, 95% 신뢰구간에서 통계적 기법을 통하여 시편 간유의 차 분석 및 공정 능력분석을 수행하였다.
- OSP처리된 전자 패키지 제품의 솔더 조인트 특성 을 평 가하기 위 하여 Sn3AgQ5Cu 무연솔더 볼을 사용하여 ball sheai테스트를 수행하였다. Fig.
- 즉, OSP처 리 제품의 변색의 정도가 달라도 post-flux에 의해서 OSP층만 제거되면 솔더조인트 특성은 기존의 Electrolytic Ni/Au처 리 제품과 유사 또는 우수해지는 것을 알 수 있다. Post mold curing 공정까지의 일련의 공정을 거친 OSP처리 제품의 ball shear 강도의 공정 능력 분석 하였다. 일반적 인 ball shear 특성 스펙이 300gf인 것을 감안할 때 평가된 결과가 평균적으로 354gf으로 평가되 었으며 획득된 데 이 터의 공정능력지수인 Cpk가 L8이였다.
- 탈지공정 에서는 3wt% H2SO4를 사용하여 매크로 불순물 입자 및 표면 오염 물질을 제거하였으며, 스프레이 방식의 물 세정 단을 각 공정 단위별로 연속적으로 삽입하였다. 소프트 에칭에서는 H2SO4-H2O2를 사용하여 Cu 패 드의 표면 산화물을 제거 하였으며, 적합한 OSP 조건을 맞추기 위하여 Cu 패 드의 표면 조도를 0.25±0.05 um 수준으로 일정하게 형성시켰다. 중간 건조 공정에서는 Cu 패드에 남아 있는 수분을 증발시켜서 OSP 코팅 시방해 요소인 Cu 패드 표면 위의 수막을 제거하도록 하였다.
- OSP 처리된 기판은 전자 패키지 조립 공정인 건조공정 (125°C, Ihr), 칩 다이 접합공정 (175°C, 15min), Au 와이어 접합 공정(170。(二 15min), 에폭시 몰딩 공정 (180°C, Imin), 몰딩 경 화 공정 (175。(二 5hr), 솔 더 접합 공정을 거쳐서 최종 제품을 형성하였다. 전자 패키지 조립 공정 중 발생하는 기판의 변색에 따라 Sn3Ago.5Cu 무연솔더 를 접착하여 20개 의 시편을 제작한 후 baU shear테스트, 파단모드 및 계면 형상분석을 수행 하였다. 도출된 결과는 기존의 Ni/Au 처리된 시편의 기계적 특성과 비교하였다.
- 05 um 수준으로 일정하게 형성시켰다. 중간 건조 공정에서는 Cu 패드에 남아 있는 수분을 증발시켜서 OSP 코팅 시방해 요소인 Cu 패드 표면 위의 수막을 제거하도록 하였다. OSP 공정 은 40°C 및 pH 3 조건하에 60 초 동안 잠입 방식으로 코팅시켜서 Cu 패드 위에 OSP를 200~400nm 균일하게 형성시켰다.
- FBGA 는 모바일에 장착되는 디 바이스로서 칩 다이가 접착되 는 상부면은 Electrolytic Ni/Au처 리 되 며 , 솔더볼이 접착되는 하부면은 OSP로 선택적으로 처리된다. 탈지공정 에서는 3wt% H2SO4를 사용하여 매크로 불순물 입자 및 표면 오염 물질을 제거하였으며, 스프레이 방식의 물 세정 단을 각 공정 단위별로 연속적으로 삽입하였다. 소프트 에칭에서는 H2SO4-H2O2를 사용하여 Cu 패 드의 표면 산화물을 제거 하였으며, 적합한 OSP 조건을 맞추기 위하여 Cu 패 드의 표면 조도를 0.
대상 데이터
- 2는 본 연구에서 수행된 OSP제품의 제조공정 및 평가공정으로 탈지 , 소프트에칭 , OSP 코팅 , 전자패키지 조립공정으로 이루어져 있는 공정도이다. 본 연구에서는 280um SRO(Solder Resist Open), SMD(Solder Mask Defined) 형 식 의 Cu 패 드등으로 설계된 FBGA 기판을 사용하였다. FBGA 는 모바일에 장착되는 디 바이스로서 칩 다이가 접착되 는 상부면은 Electrolytic Ni/Au처 리 되 며 , 솔더볼이 접착되는 하부면은 OSP로 선택적으로 처리된다.
- OSP 공정 후에는 바로 공기 액절(Air Knife)장치를 설치하여 OSP 층 형성에 기여되지 않은 잔류 OSP 액을 바로 제거하도록 하였다. 수세 후 최종 건조를 통하여 OSP코팅된 제품을 획득하였다.
데이터처리
- 9. ANOVA analysis of ball shear strengths of OSP finished products with the assembly process of bare substrate(BS), die attachment(DA), wire bonding (WB) and post mold curing(PMC).
- 5Cu 무연솔더 를 접착하여 20개 의 시편을 제작한 후 baU shear테스트, 파단모드 및 계면 형상분석을 수행 하였다. 도출된 결과는 기존의 Ni/Au 처리된 시편의 기계적 특성과 비교하였다. 이 러 한 결과들은 ANOVA(Analysis of Variance) 분석을 통하여 95% 신뢰구간범위에서 시편간 유의차 분석을 수행하여 통계적으로 OSP처 리 된 제품과 기존의 electrolytic Ni/Au처 리 된 제품의 특성 차이점을 분석하였다.
- 9에는 ANOVA 통계 기법을 사용하여 OSP처리된 제품의 bare substrate, die attachment, wire bonding 및 post mold curing 조건에서 발생한 변색수준 별로 시편을 취득하여 baU shear테스트 결과이다. 비교적 으로 기존의 표면처 리 방법 인 Electrolytic Ni/Au 처리된 시편의 데이터와 비교하였다. 전자패 키지개 발제 품의 ball shear 강도 스펙 인 3OOgf보다 높은 값을 나타내 었으며, 95% 신뢰구간에서 p-value 값이 0.
- 도출된 결과는 기존의 Ni/Au 처리된 시편의 기계적 특성과 비교하였다. 이 러 한 결과들은 ANOVA(Analysis of Variance) 분석을 통하여 95% 신뢰구간범위에서 시편간 유의차 분석을 수행하여 통계적으로 OSP처 리 된 제품과 기존의 electrolytic Ni/Au처 리 된 제품의 특성 차이점을 분석하였다.
성능/효과
- Fig. 7(a)는 Cu패드 변색이 발생 하지 않은 OSP처 리 된 시편의 분석 결과이며 OSP층 깊이에 관계없이 C, O, Cu 피크가 거의 일정 함을 나타내었다. 반면에 Fig.
- 3은 광학현미경과 FEB를 이용하여 Cu 패드위의 OSP 층을 분석한 결과이다. Cu 패드 위의 OSP층은 Cu의 조도를 따라서 형성되어 있으며 20 개의 시편을 채취하여 평가한 결과 약 0.27um 두께의 OSP층으로 분석되었다. 형성된 OSP층 두께를 95% 신뢰구간 범위에서 통계적인 기법을 통하여 분석한 결과 획득된 값의 공정능력지수인 Cpk 는 1.
- 7(b)는 Cu 패드의 변색을 유발하기 위하여 175。(2에서 6시 간 동안 구운 후 분석 을 수행 한 결과이 며 변색 이 발생 하지 않은 Cu패드와는 달리 C, O, Cu 피크의 변화를 볼 수 있다. OSP 층 표면에 O 및 Cu피크가 25-35% 수준으로 상대적으로 많은 양이 검출되었으며, 특히 (、피크는 OSP층 표면뿐 아니 라 Cu 패 드에 가까워 질수록 40% 수준으로 더욱 많은 양이 검출되었다. 이는 외부 열적 조건에 의해서 Cu 패드로부터 확산된 Cu이온이 OSP층 안으로 확산되 었으며, 외부 공기 와 닿는 OSP층 표면의。이온이 확산된 Cu이온과 산화물을 형성하고 있는 것으로 추론된다.
- 0이상이면 균일한 품질이 가능한 것으로 판단하며 양산 가능한 지수로 인식하고 있다. 따라서 본 연구에서 제조된 시편의 OSP 두께는 양산화가 가능할 정도로 균일한 것임을 알 수 있다. Cu 패드 위의 OSP층이 형성되는 기구는 Fig.
- 본 연구에서 측정 된 ball shear 결과 약 354gf를 나타내어 기존의 양산 제품의 스펙보다 상향치를 나타내었으며, 기존의 표면 처리인 Electrolytic Ni/ Au 처리된 제품과 유사 또는 우수함을 알 수 있었다. 또한 OSP처 리 된 제품의 baU shear 파단모드도솔더 볼 내 부에서 파단되 는 bulk fracture로써 일반적인 양산조건 요구사항에 적합한 특성을 나타내었다.
- 따라서 전자패키지 공정 중 post-flux공정의 최적화를 통해서 OSP층 표면 및 내부에 형성된 CU2。를 제거하면 OSP 처리 제품의 공정 안정화 및 기계적 신뢰성 향상이 기대된다. 본 연구에서 측정 된 ball shear 결과 약 354gf를 나타내어 기존의 양산 제품의 스펙보다 상향치를 나타내었으며, 기존의 표면 처리인 Electrolytic Ni/ Au 처리된 제품과 유사 또는 우수함을 알 수 있었다. 또한 OSP처 리 된 제품의 baU shear 파단모드도솔더 볼 내 부에서 파단되 는 bulk fracture로써 일반적인 양산조건 요구사항에 적합한 특성을 나타내었다.
- 비교적 으로 기존의 표면처 리 방법 인 Electrolytic Ni/Au 처리된 시편의 데이터와 비교하였다. 전자패 키지개 발제 품의 ball shear 강도 스펙 인 3OOgf보다 높은 값을 나타내 었으며, 95% 신뢰구간에서 p-value 값이 0.05이상인 0.335를 나타내는 것으로 보아 통계적으로 시 편간 유의차가 없었다. 즉, OSP처 리 제품의 변색의 정도가 달라도 post-flux에 의해서 OSP층만 제거되면 솔더조인트 특성은 기존의 Electrolytic Ni/Au처 리 제품과 유사 또는 우수해지는 것을 알 수 있다.
- 335를 나타내는 것으로 보아 통계적으로 시 편간 유의차가 없었다. 즉, OSP처 리 제품의 변색의 정도가 달라도 post-flux에 의해서 OSP층만 제거되면 솔더조인트 특성은 기존의 Electrolytic Ni/Au처 리 제품과 유사 또는 우수해지는 것을 알 수 있다. Post mold curing 공정까지의 일련의 공정을 거친 OSP처리 제품의 ball shear 강도의 공정 능력 분석 하였다.
- 27um 두께의 OSP층으로 분석되었다. 형성된 OSP층 두께를 95% 신뢰구간 범위에서 통계적인 기법을 통하여 분석한 결과 획득된 값의 공정능력지수인 Cpk 는 1.26으로 분석되었다. 일반적으로 산업계에서는 Cpk가 1.
후속연구
- OSP 공정은 공정 온도 조건이 혹독하지 않은 mother board와 같은 제품에 수년간 응용되 어 왔으나% 최근에는 저 비용, 솔더 계면 특성 향상 등의 이유로 FBGA(Fine-Pitch BGA), FCBGA(Flip Chip BGA) 등의 모바일 디 바이 스 제품으로 확장 응용되고 있다7). 또한 OSP chemical 은 여 러 수요 국가 또는 기 업에서 제한하고 있는 Pb, Cd, Hg, PBB(polybromobiphenyl), PBDE (PolyBrominated Diphenyl Ether) 등의 유해물질이 포함되지 않은 친환경 특성으로 향후 응용 분야의 확대가 가능할 것으로 사료된다. 또한 Ni/Au와 같은 금속계 표면 처리는 Au 취성으로 인하여 외부충격 시 Cu 패드와 솔더계면 사이의 신뢰성이 문제가 되고 있으며, 이를 해결하기 위한 대책 방안으로 OSP 표면 처리를 대책 선정 및 적용하는 수요기업들이 증가하고 있다W3).
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