[논문]반응표면분석법을 이용한 LED Die Bonding 공정능력 최적화

하석재; 조용규; 조명우; 이광철; 최원호

doi:10.5762/kais.2012.13.10.4378

반응표면분석법을 이용한 LED Die Bonding 공정능력 최적화
Process Capability Optimization of a LED Die Bonding Using Response Surface Analysis 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.13 no.10, 2012년, pp.4378 - 4384

하석재 (인하대학교 기계공학과) , 조용규 (인하대학교 기계공학과) , 조명우 (인하대학교 기계공학부) , 이광철 (한국광기술원) , 최원호 (우리 ATEC)

초록
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LED 칩 패키징에서 다이 본딩은 웨이퍼에서 분할된 다이를 리드 프레임에 접착제로 고정시켜 칩이 다음 공정을 견딜 수 있는 충분한 강도를 제공하는 중요한 공정이다. 본 논문에서는 PLCC 구조 LED 패키지 프레임에 소형 제너 다이오드를 부착하는 다이 본딩 공정능력의 최적화를 위하여 공정에 영향을 미치는 여러 인자를 분석하여 반응표면분석법을 적용하여 그 결과를 도출하였다. 인자를 분석하여 5인자 3수준 4반응치를 고려하여 실험계획법을 수립하였으며, 그 결과 모든 반응치의 목표를 만족하는 최적 조건을 확보할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In LED chip packaging, die bonding is a very important process which fixes the LED chip on the lead frame to provide enough strength for the next process. This paper focuses on the process optimization of a LED die bonding, which attaches small zener diode chip on PLCC LED package frame, using response surface analysis. Design of experiment (DOE) of 5 factors, 3 levels and 5 responses are considered, and the results are investigated. As the results, optimal conditions those satisfy all response objects can be derived.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 다이 본딩 공정의 최적화 및 공정능력의 평가를 위하여 실험계획법을 적용하여 그 결과를 도출하였다. 각 수준 사이에서의 최적치를 찾을 수 있도록 반응표면설계 및 분석방식(response surface design and analysis)을 적용하였으며, 반응치의 목표치를 적용하여 주요 제어 인자의 최적치를 구한 후, 각 최적치 조건에서 die bonding 공정 진행을 통해 die bonding 공정 반응치를 얻어서 목표치와의 비교 분석 및 공정능력을 평가하였다.

가설 설정

여기에서 ε은 오차로 N(0, σ2) 분포에 따른다고 가정한다.

제안 방법

(1) Die bonding 반응치(DST (Die Shear Test strength), Δx, Δy, Δangle)의 목표치 달성을 위한 주요 다섯개 제어 인자(Epoxy load level (ELL), Stamp level (SL), Pickup force (PF), Eject pin 2nd up level (EP), Bond force (BF))의 최적화를 반응표면 설계및 분석 방식을 통하여 진행하였다.
본 연구에서는 이러한 다이 본딩 공정의 최적화 및 공정능력의 평가를 위하여 실험계획법을 적용하여 그 결과를 도출하였다. 각 수준 사이에서의 최적치를 찾을 수 있도록 반응표면설계 및 분석방식(response surface design and analysis)을 적용하였으며, 반응치의 목표치를 적용하여 주요 제어 인자의 최적치를 구한 후, 각 최적치 조건에서 die bonding 공정 진행을 통해 die bonding 공정 반응치를 얻어서 목표치와의 비교 분석 및 공정능력을 평가하였다.
도출된 잠정 최적 조건에서 50개 패키지를 대상으로 die bonding 공정을 수행하여 검증을 진행하고 최종적으로 각 반응치별 공정 능력을 평가하였으며, 잠정 최적조건에서의 반응치 산포결과를 그림 6에 나타내었다.
반응표면 분석을 진행 한 후, 추가적으로 반응최적화 도구를 이용하여 그림 5와 같이 잠정 최적조건을 도출하였다. 도출된 잠정 최적조건의 정수화를 통한 잠정 최적 조건을 조정하였으며, dst, dx, dy 모두 목표를 달성할 것으로 예측되어 이 조건으로 추가적인 검증 실험을 수행 하였다.
반응표면 분석을 진행 한 후, 추가적으로 반응최적화 도구를 이용하여 그림 5와 같이 잠정 최적조건을 도출하였다. 도출된 잠정 최적조건의 정수화를 통한 잠정 최적 조건을 조정하였으며, dst, dx, dy 모두 목표를 달성할 것으로 예측되어 이 조건으로 추가적인 검증 실험을 수행 하였다.
본 연구에서는 구조 LED 패키지 프레임에 소형 제너다이오드를 붙이는 die bonding 최적화 실험을 반응표면 분석법을 적용하여 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
상기와 같은 데이터를 기초로 die bonding 공정에 가장 영향을 많이 미치는 주요 인자를 5 개로 압축한 결과는 다음의 표 3과 같으며 설정된 수준은 장비 제작 후 작업이 가능한 영역의 중앙값을 기준으로 하였다.
상기의 조건으로 die bonding 실험을 수행하여 DST (die shear test strength), DX (Δx), DY (Δy), DANG (Δangle)에 대한 반응치를 분석하였으며, die bonding 반응치 중 Δangle (DANG) 결과는 그림 3과 같이 목표치인±3° 이내에 포함되므로 나머지 세 가지 반응치에 대하여 반응표면 분석을 진행하여 그 결과를 그림 4에 나타내었다.
본 연구에서는 LED 패키지 die bonding을 위해 탑뷰 (top view) 형태의 가로 24열, 세로 14행의 PLCC(plasticleaded chip-carrier) 구조의 LED 패키지 프레임, Ag paste (sumitomo metal mining사), 제너다이오드(ODTech사, 200×200×100um) 등을 사용하였으며, 그림 2에 실험에 사용된 자재를 도시하였다. 실험계획법 적용을 위하여 상기에서 도출된 바와 같이 5 인자, 3 수준, 4 반응치를 고려하여 실험계획을 수립하였다.(표 3) 수행될 실험의 가지 수는 46 가지이며, 동일 실험 반복회수는 7회로 총 실험 수는 322 회 (322 개 패키지)로 결정되었다.

대상 데이터

본 연구에서는 LED 패키지 die bonding을 위해 탑뷰 (top view) 형태의 가로 24열, 세로 14행의 PLCC(plasticleaded chip-carrier) 구조의 LED 패키지 프레임, Ag paste (sumitomo metal mining사), 제너다이오드(ODTech사, 200×200×100um) 등을 사용하였으며, 그림 2에 실험에 사용된 자재를 도시하였다.

성능/효과

(2) 반응표면설계 및 분석을 통하여 die bonding 공정의 최적 조건은 Epoxy load level (ELL) 150 um, Stamp level (SL) 34 um, Pick-up force (PF) 60 g, Eject pin 2nd up level (EP) 0.28 mm, Bond force (BF) 41 g 이었다.
(3) 최적 조건에서 6 시그마 수준의 공정능력평가지수 (Cpk)를 도출하여 공정능력을 평가한 결과, 단기공정 잠재적 불량률은 모든 반응치별로 불량률 0%이었지만, 장기공정 잠재적 불량률은 die shear test strength 2.5%, Δx 2.3%, Δy 2.5%, Δangle 0%이었으므로 Δangle의 경우만 6 시그마 수준의 공정능력을 가진 것으로 결론낼 수 있었다.
도출된 최적 조건에서 공정 능력을 평가한 결과, 실제 관측기준으로는 모든 반응치에서 불량률 0%이었지만, Cpk 기준으로 die shear test strength는 0.65, Δx 0.68, Δy 0.72, Δangle 1.94 으로 나타났으며, 이는 각각 2.5%, 2.3%, 2.5%, 0% 불량률로 예측되었다.
또한 die pick-up and place 공정은 die pick-up and place collet의 조작으로 구성되며, 표 2에 나타낸 바와 같이 die bonding 결과에 가장 영향을 많이 주는 인자는 pick-up force, eject pin 2nd up level, bond force 등 세 가지로 분석되었다.
Die bonding 공정은 일반적으로 Ag paste와 같은 접착제(die attach)를 접착제가 있는 용기에서 칩을 붙이려고 하는 곳으로 정량의 접착제를 옮겨 배치하는 die attach stamping 세부 공정, 칩이 있는 곳에서 칩을 하나씩 떼어내어 접착제 위에 정확하게 놓는 die pick-up and place 세부 공정으로 구분된다. 이러한 die attach stamping 공정의 주요 제어 인자들은 표 1과 같으며, 이 중에서 장비 개발자 및 운용자의 경험과 장비 조작 메커니즘을 고려하여 선정한 die bonding 결과에 가장 영향을 많이 주는 인자는 epoxy load level과 stamp level 등 두 가지로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED 칩의 일반적인 패키징 공정은 어떠한 공정들을 거치게 되는가	LED 칩의 일반적인 패키징 공정은 웨이퍼에 형성된 칩의 양부를 검사하는 웨이퍼 검사 공정, 웨이퍼를 절단 하여 낱개로 분리된 칩을 리드 프레임(lead frame)에 부착 시키는 다이 본딩(die bonding) 공정, 다이에 구비된 접촉 패드와 리드 프레임의 리드를 와이어로 연결시키는 와이어 본딩(wire bonding) 공정, 다이의 내부회로와 그 외의 구성 부품을 보호하기 위해 봉지재로 외부를 감싸는 몰딩(molding) 공정, 리드와 리드를 연결하고 댐바(dam bar) 를 절단하는 트림 공정 및 리드를 원하는 형태로 성형시키는 포밍(forming) 공정을 거치게 된다. 그중에서 다이 본딩 공정은 분할된 칩(die)이 이후 공정에서 견딜 수 있는 충분한 강도의 접착력을 갖도록 칩을 고정시키고 칩으로부터 발생하는 열을 방출시키기 위해 적절한 열전도도 및 전기전도도를 부여하는데 있어 매우 중요한 공정이며, 통상적인 다이 본딩 공정순서를 그림 1에 나타내었다[1,2].
	다이 본딩 공정의 특징은 무엇인가	LED 칩의 일반적인 패키징 공정은 웨이퍼에 형성된 칩의 양부를 검사하는 웨이퍼 검사 공정, 웨이퍼를 절단 하여 낱개로 분리된 칩을 리드 프레임(lead frame)에 부착 시키는 다이 본딩(die bonding) 공정, 다이에 구비된 접촉 패드와 리드 프레임의 리드를 와이어로 연결시키는 와이어 본딩(wire bonding) 공정, 다이의 내부회로와 그 외의 구성 부품을 보호하기 위해 봉지재로 외부를 감싸는 몰딩(molding) 공정, 리드와 리드를 연결하고 댐바(dam bar) 를 절단하는 트림 공정 및 리드를 원하는 형태로 성형시키는 포밍(forming) 공정을 거치게 된다. 그중에서 다이 본딩 공정은 분할된 칩(die)이 이후 공정에서 견딜 수 있는 충분한 강도의 접착력을 갖도록 칩을 고정시키고 칩으로부터 발생하는 열을 방출시키기 위해 적절한 열전도도 및 전기전도도를 부여하는데 있어 매우 중요한 공정이며, 통상적인 다이 본딩 공정순서를 그림 1에 나타내었다[1,2].
	다이 본딩 공정을 구분하라	Die bonding 공정은 일반적으로 Ag paste와 같은 접착제(die attach)를 접착제가 있는 용기에서 칩을 붙이려고 하는 곳으로 정량의 접착제를 옮겨 배치하는 die attach stamping 세부 공정, 칩이 있는 곳에서 칩을 하나씩 떼어내어 접착제 위에 정확하게 놓는 die pick-up and place 세부 공정으로 구분된다. 이러한 die attach stamping 공정의 주요 제어 인자들은 표 1과 같으며, 이 중에서 장비 개발자 및 운용자의 경험과 장비 조작 메커니즘을 고려 하여 선정한 die bonding 결과에 가장 영향을 많이 주는 인자는 epoxy load level과 stamp level 등 두 가지로 분석되었다.

참고문헌 (7)

H. H. Kim, S. H. Choi, S. H. Shin, Y. K. Lee, S. M. Choi and S. Yi, "Thermal Transient Characteristics of Die Attach in High Power LED PKG", Microelectronics Reliability Vol. 48, pp. 445-454, 2008

상세보기
J. R. Ryu, "The Improvement for Performance of White LED chip using Improved Fabrication Process", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 1, pp. 329-332, 2012

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G. E. P. Box, K. B. Wilson, "On the Experimental Attainment of Optimum Conditions", Journal of the Royal Statistical Society, Ser. B, Vol. 13, pp. 1-45, 1951
R. H. Myers, D. C. Montgomery, "Response Surface Methodology : process and product optimization using designed experiment", A Wiley-Interscience Publication, 2002
D. S. Park, W. S. Yoo, Q. Q. Jin, E. J. Seong, J. Y. Han, "Prediction of Material Removal and Surface Roughness in Powder Blasting using Neural Network and Response Surface Analysis", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 6, No. 1, pp. 34-42, 2007
D. W. Lee, S. S. Cho, "Failure Load Prediction of Tunnel Support using DOE and Optimization Algorithm", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 4, pp. 1480-1487, 2012

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Y. K. Park, I. S. Um, H. C. Lee, "Design of Experiment and Analysis Method for the Integrated Logistics System Using Orthogonal Array", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 12, No. 2, pp. 5622-5632, 2011

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저자의 다른 논문 :

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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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