[논문]다구찌 방법을 이용한 BGA 현상 공정용 수직 습식 장비의 공정 최적화

유선중

doi:10.5757/jkvs.2009.18.4.310

[국내논문] 다구찌 방법을 이용한 BGA 현상 공정용 수직 습식 장비의 공정 최적화
BGA Deveop Process Optimization for the Vertical Wet Equipment Using Taguchi Experiment 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.18 no.4, 2009년, pp.310 - 317

초록
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BGA 제조용 습식 현상 공정에 있어 기존의 수평 장비를 대체하여 수직 장비를 새로이 개발하였다. 수직 장비의 장점은 기판 표면의 소프트한 드라이필름 회로 패턴의 요철과 장비 구동부와의 직접적인 접촉을 배제함으로써 현상 공정 진행 중 회로 패턴의 손상을 최소화할 수 있다는 것이다. 본 연구에서는 개발된 수직 장비의 공정 특성을 최적화하기 위하여 다구찌 실험을 수행하였다. 수직 장비에 병렬로 동시 투입되는 2장의 기판에 대하여 공정 특성을 동일하게 하기 위해 적절한 잡음인자 및 제어가능인자를 선정하여 망소특성치 실험을 수행하였다. 실험 결과 현상 약품액의 온도 및 현상 스프레이에 노출되는 시간이 주요한 제어가능인자인 것으로 평가되었다. 최종적으로 회로 패턴의 손상 없이 현상 공정을 진행할 수 있는 최소 회로 선폭이 선형패턴의 경우 수평 장비 $13.8{\mu}m$ 대비 수직 장비는 $10.4{\mu}m$로, 닷 패턴의 경우 수평 장비 $22.1{\mu}m$ 대비 수직 장비는 $16.3{\mu}m$로 각각 향상된 결과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Vertical wet equipment for the BGA develop process was newly developed substituted for conventional horizontal wet equipment. The benefits of vertical equipment are that the pattern damages generated by the collision between the patterns and transferring rollers can be eliminated because the direct contact between the equipment's transferring units and the soft dry film patterns does not occurs. Taguchi experiment was conducted to optimize the process characteristics for the vertical equipment. The experiment was organized as the smaller the better problem which includes adequate uncontrollable factor and controllable factors. The uncontrollable factors are the 4 sides of two panels which are loaded to the equipment at the same time. By the analysis of the experiment, temperature of the develop chemicals and develop spraying time are analyzed as the main controllable factors. Finally, line pattern's minimum width which is not damaged for the develop process was improved from $13.8{\mu}m$ for the horizontal equipment to $10.4{\mu}m$ for the vertical equipment. And dot pattern's minimum width is improved from $22.1{\mu}m$ to $16.3{\mu}m$.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

이상과 같은 수평 장비의 단점을 극복하고자 수직 장비를 새로이 개발하였다. 수직 장비의 구성은 지그를 이용하여 기판을 수직 방향으로 고정한 후 지그 자체를 롤러에 의해 구동시키는 방식이다.
본 연구에서는 수평 장비의 이와 같은 문제점을 극복하기 위해서 수직 방식의 습식 장비를 새롭게 개발하였다. Fig.
본 연구에서는 BGA용 습식 현상 공정 있어 기존의 수평 장비를 대체하여 수직 장비를 새로이 개발하였다. 수직 장비는 수평 장비에 비하여 기판 표면의 소프트한 드라이필름 패턴의 회로 요철과 장비 구동부와의 충돌을 배제할 수 있는 구조적 이점을 가지고 있어 미세 회로 패턴을 손상없이 공정 진행 할 수 있는 장점이 있다.

가설 설정

식(1)은 기판의 각 면에 대하여 P1~P9의 평균으로 측정된 값이며 또한 Fig. 5(b) 테스트 시편의 선형 패턴 및 닷 패턴의 폭 범위에 대해서 무차원화된 값으로 표현된 것이다.

제안 방법

수직 장비를 위한 다구찌 방법의 적용은 수직 장비의 제어가능인자와 잡음인자를 선정한 후 L₈(2⁴) 직교배열(orthogonal array) 실험을 수행하는 것으로 하였다. 실험의 목표특성치는 현상 공정 진행 후 손상되지 않은 최소 회로 패턴의 선폭으로 하였으며 망소특성치(smaller the better)를 적용하여 신호대잡음비를 정의하였다. 실험 분석 결과 현상 약품의 온도 및 현상 스프레이 노즐에 노출되는 시간이 주요한 공정 인자인 것으로 확인되었다.
지그에는 상하 각 4개의 클램프가 부착되어 있어 기판을 고정하는 역할을 한다. 개발된 장비는 생산성을 고려하여 2장의 기판이 동시에 지그에 장착될 수 있도록 구현하였다. 지그의 좌우에는 약품을 분사하는 스프레이 노즐이 배열되어 있다.
Table 2(a)의 제어가능인자는 Table 1의 수평 장비의 제어가능인자에 지그 요동 거리 Os를 추가하는 것으로 선정하였다. 수직 장비의 경우 공정 균일도를 향상시키기 위해서 스프레이 노즐 분사 시간 내에서 지그를 일정한 거리만큼 반복적으로 요동할 수 있도록 설계 하였는데(Fig. 7), 이를 제어가능인자에 추가하였다. 그리고 다구찌 실험을 위한 각 제어가능인자의 수준은 Table 1수평 장비의 값을 중심으로 하여 각각 2수준으로 Table 2(a)와 같이 정하였다.
Table 3은 8회 실험에 대한 각 제어가능인자 수준 및 그에 대한 실험으로부터 측정된 식(1)의 목표특성치 및 신호대잡음비 값을 나타낸 것이다. 그리고 수직 장비에 대한 R1~R8의 실험과 함께 수평 장비에 대한 목표특성치 및 신호대잡음비를 동시에 측정하여 기록하였다. 수평 장비의 목표특성치 및 신호대잡음비는 Table 1의 공정 인자를 이용하여 2장의 기판을 수평 장비에서 처리하여 얻은 값이다.
이상의 다구찌 실험 결과를 검증하기 위하여 (1) 수평 장비 + Table 1, (2) 수직 장비 + Table 1, (3) 수직 장비 + Table 4 의 3가지 공정 변수 조합에 대하여 신호대잡음비 및 목표특성치를 측정하는 비교 실험을 실시하였다. Fig.
개발된 수직 장비의 공정 능력을 최적화하기 위하여 본 연구에서는 다구찌 방법을 적용하였다. 수직 장비는 생산성을 고려하여 2장의 기판을 병렬로 공정 처리하도록 설계되었는데, 이를 잡음인자로 선정하여 2장 기판의 좌우면 공정 능력이 최대한 동일하도록 제어가능인자를 조절하였다. 다구찌 실험은 4가지 제어가능인자에 대하여 각각 2수준을 설정하여 L₈(2⁴) 직교배열 실험을 진행하는 것으로 하였다.
수직 장비는 생산성을 고려하여 2장의 기판을 병렬로 공정 처리하도록 설계되었는데, 이를 잡음인자로 선정하여 2장 기판의 좌우면 공정 능력이 최대한 동일하도록 제어가능인자를 조절하였다. 다구찌 실험은 4가지 제어가능인자에 대하여 각각 2수준을 설정하여 L₈(2⁴) 직교배열 실험을 진행하는 것으로 하였다.

대상 데이터

한편, 개발된 수직 장비의 경우 식(1)로 표현되는 목표특성치를 최적화하기 위한 제어가능 인자의 값은 Table 1과 다를 것으로 예상할 수 있다. 이를 다구찌 실험으로 결정하기 위하여 Table 2와 같이 수직 장비의 제어가능인자 및 잡음인자를 선정하였다. Table 2(a)의 제어가능인자는 Table 1의 수평 장비의 제어가능인자에 지그 요동 거리 Os를 추가하는 것으로 선정하였다.

이론/모형

또한, 개발된 수직 장비는 생산성을 고려하며 2장의 기판을 동시에 병렬처리 하도록 구성되어 있는데, 이 경우 각 기판 좌우면의 공정 특성이 최대한 동일할 것이 요구된다. 개발된 수직 장비의 이와 같은 공정 요구 조건을 최적화하기 위하여본 연구에서는 다구찌 방법을 적용하였다. 다구찌 방법(Taguchi method)은 제어 불가능한 잡음인자(noise factors)의 영향을 최소화 하면서 동시에 목적특성치(objectives)를 최적화하기 위해 제어가능인자(controllable factors)의 수준을 조절할 수 있도록 해주는 실험 기법이다[5-8].
다구찌 방법(Taguchi method)은 제어 불가능한 잡음인자(noise factors)의 영향을 최소화 하면서 동시에 목적특성치(objectives)를 최적화하기 위해 제어가능인자(controllable factors)의 수준을 조절할 수 있도록 해주는 실험 기법이다[5-8]. 수직 장비를 위한 다구찌 방법의 적용은 수직 장비의 제어가능인자와 잡음인자를 선정한 후 L₈(2⁴) 직교배열(orthogonal array) 실험을 수행하는 것으로 하였다. 실험의 목표특성치는 현상 공정 진행 후 손상되지 않은 최소 회로 패턴의 선폭으로 하였으며 망소특성치(smaller the better)를 적용하여 신호대잡음비를 정의하였다.
본 연구에서는 개발된 수직 장비의 공정 특성을 최적화하기 위하여 다구찌 방법을 이용하였다. 다구찌 방법은 제어 불가능한 잡음인자의 영향을 최소화 하면서 동시에 목적특성치(y)를 최적화하기 위해 제어가능인자의 수준을 조절할 수 있도록 해주는 실험 기법이다.
개발된 수직 장비의 공정 능력을 최적화하기 위하여 본 연구에서는 다구찌 방법을 적용하였다. 수직 장비는 생산성을 고려하여 2장의 기판을 병렬로 공정 처리하도록 설계되었는데, 이를 잡음인자로 선정하여 2장 기판의 좌우면 공정 능력이 최대한 동일하도록 제어가능인자를 조절하였다.

성능/효과

최종적으로 BGA 현상 공정에 있어 수평 장비를 대신하여 다구찌 최적화된 수직 장비를 적용함으로써 신호대잡음비는 2.59dB 개선되었고, 회로 패턴을 손상시키지 않고 진행할수 있는 최소 회로 선폭은 3~6μm 정도 개선되는 결과를 얻을 수 있었다.
실험의 목표특성치는 현상 공정 진행 후 손상되지 않은 최소 회로 패턴의 선폭으로 하였으며 망소특성치(smaller the better)를 적용하여 신호대잡음비를 정의하였다. 실험 분석 결과 현상 약품의 온도 및 현상 스프레이 노즐에 노출되는 시간이 주요한 공정 인자인 것으로 확인되었다. 최종적으로 BGA 현상 공정에 있어 수평 장비를 대신하여 다구찌 최적화된 수직 장비를 적용함으로써 신호대잡음비는 2.
드라이필름 회로 패턴과 구리층 간의 밀착력 수준은 회로 패턴 폭과 비례한다. 따라서 현상 공정 진행 후 구리층 표면에 붙어 있는 회로 패턴의 최소 폭을 측정함으로써 각 장비에 대한 회로 패턴 손상 정도를 확인할 수 있다. Fig.
Fig. 9(a)의 결과로부터 신호대잡음비의 영향은 P_r, O_s에 비하여 상대적으로 T_p, T_i 가 지배적임을 알 수 있다. 또한 신호대잡음비를 최대로 하는 제어가능인자의 수준은 T_p, T_i, P_r, O_s에 대하여 각각 1수준, 2수준, 1수준, 1수준임을 알 수 있다.
9(b)와 같다. 본 실험에서는 각 제어가능인자에 대하여 신호대잡음비를 최대로 하는 조합에서 목표특성치도 최소가 됨을 확인할 수 있다. 또한 신호대잡음비 결과와 동일하게 목표특성치 결과에 대하여 P_r, O_s에 비하여 상대적으로 T_p, T_i의 영향이 지배적임을 확인할 수 있다.
본 실험에서는 각 제어가능인자에 대하여 신호대잡음비를 최대로 하는 조합에서 목표특성치도 최소가 됨을 확인할 수 있다. 또한 신호대잡음비 결과와 동일하게 목표특성치 결과에 대하여 P_r, O_s에 비하여 상대적으로 T_p, T_i의 영향이 지배적임을 확인할 수 있다.
이상의 실험 결과로부터 수직 장비의 경우 지그의 각 열 및 각 면의 선택에 무관하게, 현상 공정 진행 후 회로 패턴 손상을 최소화로 하는 공정 변수의 조합은 현상 약품 온도 26℃, 현상 스프레이 노즐에 노출되는 시간 27초임을 알 수 있다(Table 4).
이상의 결과는 개발된 수직 장비 및 다구찌 실험 결과를 BGA 현상 공정에 적용함으로써 기존의 수평 장비를 사용하는 것에 비하여 3~6μm 정도 더미세한 회로 패턴을 손상 없이 공정 진행할 수 있음을 의미 한다.
신호대잡음비의 경우 수직 장비를 사용하여 현상 공정을 진행하는 경우 다구찌 실험 결과의 적용 여부를 떠나서 수평 장비에 비하여 개선된 결과를 얻을 수 있었다. 특히 다구찌 실험 결과를 적용한 수직 장비의 신호대잡음비는 -1.61dB로서 수평 장비의 -4.20dB에 비하여 2.59dB 만큼 개선된 것을 알 수 있다. 한편, 목표특성치를 구성하는 선형 패턴 및 닷 패턴에 대한 확인 실험 결과는 Fig.
실험 결과 현상 약품의 온도 및 현상 스프레이 노즐에 노출되는 시간이 주요한 공정 인자인 것으로 확인되었다. 결론적으로 BGA 현상 공정에 있어 다구찌 최적화된 수직 장비를 적용함으로써 수평 장비에 비하여 신호대잡음비는 2.
실험 결과 현상 약품의 온도 및 현상 스프레이 노즐에 노출되는 시간이 주요한 공정 인자인 것으로 확인되었다. 결론적으로 BGA 현상 공정에 있어 다구찌 최적화된 수직 장비를 적용함으로써 수평 장비에 비하여 신호대잡음비는 2.59dB 개선되었고, 회로 패턴을 손상 시키지 않고 진행할수 있는 최소 선폭은 3~6μm 정도 개선되는 결과를 얻을 수 있었다.
이상과 같은 방법을 이용하여 P1~P9 까지 각각 위치의 테스트 시편에서 현상 공정 진행 이후 손상을 받지 않은 최소의 회로 폭을 현미경을 이용하여 관찰함으로써 수평 및 수직 장비의 회로 패턴 손상 정도를 정량적으로 측정할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수평 습식 장비은 어떤 공정의 한계를 가지고 있는가?	그러나 수평 습식 장비는 그 구조적인 특징으로 인하여 다음과 같은 공정의 한계를 가지고 있다. 기판 표면에는 여러 가지 형태의 회로 패턴이 형성되어 있는데 이러한 회로 패턴의 요철이 장비 구동부의 롤러와 반복적으로 충돌함으로써 회로 패턴의 손상이 야기된다. 이러한 현상은 회로 패턴의 선폭이 미세해짐에 따라 더욱더 가속화되고 있는데 최근 BGA 제품의 회로 선폭은 최소 30μm에 이르고 있다. 특히, 본 연구에서 대상으로 하는 현상 공정은 기판 표면에 소프트한 드라이필름의 회로 패턴이 형성되어 있어 수평 습식 장비로 진행하는 경우 회로 패턴 손상이 빈번하게 일어난다. 이상과 같은 수평 장비의 단점을 극복하고자 수직 장비를 새로이 개발하였다.
	BGA는 무엇인가?	BGA(ball grid array)는 PCB(printed circuit board)의 일종으로서 반도체 등 능동 전자 소자를 전자 제품의 주기 판에 실장하기 위하여 사용되는 연결 부품이다. BGA의 제조 공정은 Fig.
	BGA의 제조 공정 중 현상(develop), 에칭(etching), 박리 (strip) 등은 무엇에 의해 공정이 진행되는가?	1과 같은 세부 단계로 구성되어 있다. 세부 단계 중에서 특히 현상(develop), 에칭(etching), 박리 (strip) 등은 습식 장비(wet equipment) 에 의해 공정이 진행된다. BGA 제조에 사용되는 전형적인 습식 장비의 구성은 기판의 상하면에 위치한 롤러를 구동시켜 기판을 수평 방향으로 이송 시키면서 스프레이 노즐을 이용하여 약품및 세정액을 기판 표면에 분사하도록 되어 있다.

참고문헌 (8)

S. B. Koo and H. K. Lee, Journal of The Korean Institute of Surface Engineering 39, 166 (2006)

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Y. Shin, S. Son, and S. Jeong, Journal of the Korean Society for Precision Engineering 21, 32 (2004)

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H.-C. Jeong, D.-W. Kim, G.-M. Choi, and D.-J. Kim, Journal of the Korean Society for Precision Engineering 23, 47 (2006)
H. Jeong, G. Choi, and D. Kim, Transactions of the KSME B 30, 381 (2006)

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J.-S. Kwak and M.-K. Ha, Journal of the Korean Society of Precision Engineering 21, 37 (2004)
N.-K. Baek and D.-E, Kim, Journal of the Korean Society of Precision Engineering 19, 59 (2002)
P. Lim and G.-E. Yang, Journal of the Korean Society of Precision Engineering 5, 59 (2006)
K. Lee and J. Kim, Control Engineering Practice 8, 949 (2000)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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