[논문]프라스틱 패키징 전과 후 실리콘 칩들의 휨 파괴 운형에 대한 변화

이성민

문제 정의

본 연구에서는 웨이퍼의 이면연마 과정에서 필연적으로 남게 되는 스크래치 마크를 가진 칩들을프라스틱 패키징하여 휨 강도를 평가하였다. 칩의 휨 강도는 스크래치 마크의 깊이에 따라 크게 영향을 받지만, 패키지 상태에서는 그 영향력이 크지 않다는 것을 알 수 있었다.
최종 두께인 200|im까지는 600, 1000, 1500, 2000 그리고 2500 메시의 그라인더를 차별적으로 적용하여 그라인딩 공정을 수행하였다. 이와 같은 차별화는 웨이퍼의 기계적 연마공정으로 인해 칩 이면에 발생하는 스크래치 마크와 같은 결함의 존재에 따른 칩 또는 패키지의 파괴강도의 유의차를 평가하기 위한 것이다.

제안 방법

1참조) 방식을 적용하였다. 4)8인치 직경의 실리콘 웨이퍼를 초기 두께인 725 I丄m에서 250 μm까지 는 325 mesh (메 시)의 grinder (그라인더 )를 사용하여 이 면 연마 공정 을진행하였다. 최종 두께인 200|im까지는 600, 1000, 1500, 2000 그리고 2500 메시의 그라인더를 차별적으로 적용하여 그라인딩 공정을 수행하였다.
5 mm)으로 10mm의 간격으로 지지시키고, 다른 작은 봉을 시편의 윗면 중앙에 위치시킨 다음 압축 하중을 가하여 해당 시편의 휨 강도를 평가할 수 있도록 하였다. 본 굴곡시험은 만능실험기에 설치된 실험 그립에 압축력을 가하여 수행되며, 어떤 경우든 TPBT(three-point bending test)에서 일반적으로 제시되는 것처럼 하중 값이 급격히 떨어지는 시점이 칩의 파괴가 일어나는 순간이며, 이때의 응력을 파괴강도로 규정하였다. 실험적 오차를 극복하기 위해 각각의 실험조건에 대해 최소 10개 이상의 시편들을 테스트하여 얻어진 평균값으로 파괴강도 값을 결정하였다.
실험적 오차를 극복하기 위해 각각의 실험조건에 대해 최소 10개 이상의 시편들을 테스트하여 얻어진 평균값으로 파괴강도 값을 결정하였다. 실리콘 웨이퍼의 이면 연마 공정에 따라 발생되는 칩 이면의 결함이나 굴곡실험 진행 후 해당 부위에서 균열의 발생 여부를 확인하기 위해 광학현미경 (OM)과 전자현미경 (SEM)이 이용되었다.
4)8인치 직경의 실리콘 웨이퍼를 초기 두께인 725 I丄m에서 250 μm까지 는 325 mesh (메 시)의 grinder (그라인더 )를 사용하여 이 면 연마 공정 을진행하였다. 최종 두께인 200|im까지는 600, 1000, 1500, 2000 그리고 2500 메시의 그라인더를 차별적으로 적용하여 그라인딩 공정을 수행하였다. 이와 같은 차별화는 웨이퍼의 기계적 연마공정으로 인해 칩 이면에 발생하는 스크래치 마크와 같은 결함의 존재에 따른 칩 또는 패키지의 파괴강도의 유의차를 평가하기 위한 것이다.
칩 이면의 거칠기와 프라스틱 패키징 몸체 사이의 접착력이 패키징 강도에 어떠한 영향을 미칠 수 있는지에 대한 확인을 위해 이면의 거친 정도가 차별화된 칩들을 프라스틱 패키징하여 이들의 파단면을 비교해 보았다. 그 결과 325 메시의 거칠기로 이면 연마된 칩의 경우 칩 이면과 프라스틱 패키지 몸체 사이의 박리가 대단히 적었으며 (Fig.
칩 크랙 발생으로 인한 반도체 조립 제품의 신뢰성 저하를 예방하기 위해 실리콘 웨이퍼의 이면연마 공정을 현재 반도체 회사에서 보편적으로 채택하고 있는 그라인딩 (Fig. 1참조) 방식을 적용하였다. 4)8인치 직경의 실리콘 웨이퍼를 초기 두께인 725 I丄m에서 250 μm까지 는 325 mesh (메 시)의 grinder (그라인더 )를 사용하여 이 면 연마 공정 을진행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 이용된 칩의 면적은 5.5 mmx 11 nunx 0.2 mm이고 패키지 규격은 6.5 mmx 13 mm xO.5 mm이다. 이는 현재 양산 중이거나, 개발 중인 반도체 제품의 규격을 고려하여 선택한 것이다.

데이터처리

본 굴곡시험은 만능실험기에 설치된 실험 그립에 압축력을 가하여 수행되며, 어떤 경우든 TPBT(three-point bending test)에서 일반적으로 제시되는 것처럼 하중 값이 급격히 떨어지는 시점이 칩의 파괴가 일어나는 순간이며, 이때의 응력을 파괴강도로 규정하였다. 실험적 오차를 극복하기 위해 각각의 실험조건에 대해 최소 10개 이상의 시편들을 테스트하여 얻어진 평균값으로 파괴강도 값을 결정하였다. 실리콘 웨이퍼의 이면 연마 공정에 따라 발생되는 칩 이면의 결함이나 굴곡실험 진행 후 해당 부위에서 균열의 발생 여부를 확인하기 위해 광학현미경 (OM)과 전자현미경 (SEM)이 이용되었다.

성능/효과

반면, 2000 메시의 거칠기로 연마된 칩들을 포함하는 프라스틱 패키지들은 일차적으로 칩 이면과 프라스틱 패키지 몸체와의 박리 정도가 325 메시에 비해 휠씬 더 많이 발생했다는 것을 확인할 수 있었다. (Fig 4b 참조) 또한, 2000메시의 경우 칩과 패키지의 파괴된 양상이 325 메시에서와 같이 패키지 전체에서 발생하기보다는 파괴가 칩에서 우선적이고 독립적으로 발생한다는 것을 확인할 수 있었다. (Fig 4b 참조)
비교해 보았다. 그 결과 325 메시의 거칠기로 이면 연마된 칩의 경우 칩 이면과 프라스틱 패키지 몸체 사이의 박리가 대단히 적었으며 (Fig. 4a 참조), 칩과 패키지의 손상이 비슷한 양상으로 발생하였다는 것을 알 수 있었다. 즉, 대단히 거친 스크래치를 가진 칩들을 포함하는 패키지들은 패키지 몸체와 칩의 구분 없이 시편의 중앙부위에서 급격한 파단에 의해 패키지 전체가 함께 손상된 모습을 보였다.
즉, 그라인딩 마크가 깊을 경우 그라인딩 마크 속으로 프라스틱 패키징 재질이 효과적으로 침입하여 칩과 프라스틱패키지 몸체 사이에 접착력이 증진된다. 그 결과, 패키지 몸체가 휨 변형의 일부를 흡수하게 되어 내부 칩 파괴를 지연하는 효과를 얻게 되며, 이러한 현상이 깊은 스크래치를 가진 칩들이 패키징후 파괴강도가 저하되지 않는 이유인 것으로 예측된다.
즉, 대단히 거친 스크래치를 가진 칩들을 포함하는 패키지들은 패키지 몸체와 칩의 구분 없이 시편의 중앙부위에서 급격한 파단에 의해 패키지 전체가 함께 손상된 모습을 보였다. 반면, 2000 메시의 거칠기로 연마된 칩들을 포함하는 프라스틱 패키지들은 일차적으로 칩 이면과 프라스틱 패키지 몸체와의 박리 정도가 325 메시에 비해 휠씬 더 많이 발생했다는 것을 확인할 수 있었다. (Fig 4b 참조) 또한, 2000메시의 경우 칩과 패키지의 파괴된 양상이 325 메시에서와 같이 패키지 전체에서 발생하기보다는 파괴가 칩에서 우선적이고 독립적으로 발생한다는 것을 확인할 수 있었다.
칩의 휨 강도는 스크래치 마크의 깊이에 따라 크게 영향을 받지만, 패키지 상태에서는 그 영향력이 크지 않다는 것을 알 수 있었다. 분석결과 거친 스크래치를 가진 칩들은 프라스틱 패지지 몸체와의 결합력이 양호하여 칩 이면의 스크래치 마크에 집중될 수 있는 응력을 패키지 몸체에 의해 상당 부분 흡수할 수 있기 때문인 것으로 평가되었다. 따라서, 얇은 패키지의 개발을 위해서는 칩 이면에 존재하는 스크래치의 제거뿐만 아니라 칩과 패키지 몸체 사이의 접착력 향상을 위한 방안이 함께 고려되어야 한다는 것을 알 수 있다.
위의 결과로 추론해 볼 때, 325 메시의 경우처럼 칩과 패키지 몸체와의 사이에는 몰딩과정에서 부 터 효과적인 접착이 이루어진 상태에서 휨 변형에 대응하게 되어 외부에서 휨 변형이 가해질 때 프라스틱 패키지 몸체는 외부의 휨변형을 어느 정도 영구변형에 의해 흡수할 수 있기 때문에 칩에 가해지는 휨 변형의 상당부분을 완화시킬 수 있기 때문에 패키지의 휨 강도가 칩 자체 보다는 휠씬높은 파괴 강도를 나타내는 것으로 볼 수 있다.
4a 참조), 칩과 패키지의 손상이 비슷한 양상으로 발생하였다는 것을 알 수 있었다. 즉, 대단히 거친 스크래치를 가진 칩들을 포함하는 패키지들은 패키지 몸체와 칩의 구분 없이 시편의 중앙부위에서 급격한 파단에 의해 패키지 전체가 함께 손상된 모습을 보였다. 반면, 2000 메시의 거칠기로 연마된 칩들을 포함하는 프라스틱 패키지들은 일차적으로 칩 이면과 프라스틱 패키지 몸체와의 박리 정도가 325 메시에 비해 휠씬 더 많이 발생했다는 것을 확인할 수 있었다.
칩의 휨 강도는 스크래치 마크의 깊이에 따라 크게 영향을 받지만, 패키지 상태에서는 그 영향력이 크지 않다는 것을 알 수 있었다. 분석결과 거친 스크래치를 가진 칩들은 프라스틱 패지지 몸체와의 결합력이 양호하여 칩 이면의 스크래치 마크에 집중될 수 있는 응력을 패키지 몸체에 의해 상당 부분 흡수할 수 있기 때문인 것으로 평가되었다.

후속연구

따라서, 얇은 패키지의 개발을 위해서는 칩 이면에 존재하는 스크래치의 제거뿐만 아니라 칩과 패키지 몸체 사이의 접착력 향상을 위한 방안이 함께 고려되어야 한다는 것을 알 수 있다. 또한, EMC 재질 개선에 의해 웨이퍼 그라인딩 공정 단순화를 이루어 제품의 가격 경쟁력을 높일 수 있을 것으로 전망된다.
따라서, 깊이나 방향성이 다른 스크래치 마크를 가진 칩들은프라스틱 처럼 저강도의 패키지로 몰딩하였을 때 패키지 강도에 어떠한 영향을 미칠 수 있는 지를 분석하는 것은 매우 흥미 있는 연구이다. 또한, 그 영향력이 패키징 전의 칩들과 대비하여 어떤 변화나 타내는 지를 평가하는 것 또한 흥미로운 연구가 될 수 있다.

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