[논문]전자 패키징 소재의 수착 특성화를 통한 신뢰성 평가

박희진

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.9.1151

전자 패키징 소재의 수착 특성화를 통한 신뢰성 평가
Reliability Evaluation Through Moisture Sorption Characterization of Electronic Packaging Materials 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.9, 2013년, pp.1151 - 1158

초록
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습기 수착 물성은 전자 패키징 장치의 신뢰성에 있어서 층간의 수증기 압력에 의해 공정과정 동안 발생되는 박리 불량의 고장 분석 및 최적의 재료 개발에 있어서 필수적이다. 본 논문에서는 온습도 모델에 따른 전자 패키징 재료의 온도 의존적인 흡습 및 탈습 물성을 변수화 하였고 이에 대한 온도 및 습도의 영향에 대해 고찰하였다. 변수화된 확산성에서 얻어진 확산 활성화 에너지는 등가의 습기 수착 수준을 위한 가속 수명 비율을 결정하고 신뢰 수명 평가에 요구되는 등가의 소요 시험 시간에 미치는 습기 확산성의 영향을 예측할 수 있게 한다. 신뢰성 시험 표준에서 평가된 유연 전자 모듈의 가속 수명비율을 예시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Knowledge of the moisture sorption properties of a material is essential for optimal material development and analysis of the delamination failure caused by vapor pressure at the interlayer during the manufacturing process of integrated packaging devices. In this paper, both temperature dependent absorption and desorption properties according to temperature and humidity model are parameterized and the effects of water activities and temperature are discussed. The activation energy obtained from the parameterized diffusivity determines the acceleration factor for the equivalency of moisture sorption levels, which enables the effect of moisture diffusivity on the equivalent elapsed testing time required for evaluating the reliable life time to be estimated. The acceleration factor evaluated at the reliability testing standard of the flexible packaging module is exampled.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

다층으로 구성되는 유연 패키징 모듈의 모재로 PET를 사용하였고 고온, 고습 환경에서의 신뢰성 시험이 수명 평가에 미치는 영향을 고찰하고자 한다. 가속 시험에서 등가 수분 민감도는 국부적인 습기 농도가 서로 주어진 환경에서 동일하게 되는데 걸리는 시간을 나타내며 확산 거리에 따른 확산성 비율 및 온도에 따른 확산성 비율로 정의되는 가속 비율로 등가의 습기 민감도 수준을 특성화 할 수 있다.
본 논문에서는 전자 패키징 기판의 절연 (Buildup) 층 재료와 패턴 현상을 위한 드라이 (Dry) 필름의 등온 흡습 및 탈습에 따른 열 중량적 반응을 조사하여 소재 내부, 외부로의 습기 확산에 대한 특성을 분석하였다. 대표적 습기 차단 소재인 PET(Polyethylene terephthalate)를 모재 (Substrate)로 가지는 유연 전자 부품의 연구가 최근 수행되고 있고 신뢰성 평가방법 중 가혹한 스트레스를 인가하는 가속시험으로 고온 고습 상태 에서 압력을 가하는 포화 증기압 시험(PCT), 불포화 증기압 시험(HAST) 등을 적용하고 있다.
3(b), (c)와 같이 모델링 된다. 여기서 고분자 층을 통해 습기가 투과되는 경우와 유리로 습기의 투과가 차단되는 경우에 대해 각각 조사하였다. 유리 또는 세라믹과 같이 습기 투과가 차단되는 층과 경계를 가지는 경우는 습기 농도가 대칭으로 확산되는 분포와 동일한 경계 조건을 따른다.

제안 방법

가속 모델의 경우 온도, 습도와 같은 환경적인 스트레스와 더불어 재료와 시험 조건에 따른 이러한 상수, 활성화 에너지 등을 알고 있어야 평가를 할 수 있다. 등온에서 다양한 습도에 노출하여 수분 흡습을 한 후 0%RH 에서 수분 탈습을 시킨 드라이 필름과 절연 필름의 무게 증감률을 온도, 습도 제어 가능한 마이크로 저울을 이용하여 측정하였고 Fig. 1에 나타내었다. 시편은 약 8mm× 8mm 의 크기를 사용하였고 60℃에서 4 시간 이상 건조하여 수분을 시험 전에 제거하였다.
4는 각각의 시험 조건에서 흡습 후 상온(25℃, 45%RH)으로 탈습에 대한 모듈의 수분 증감률을 나타낸다. 수분 투과성 평가를 통해 수분 투과 차단성이 확인된 보호 유리층을 모듈과 결합하여 반투과성을 가지는 Fig. 3(c)의 확산성 모델링을 위해 본 논문에서는 금속 알루미늄 필름을 결합하여 모사 실험을 하였다.
(kg)은 포화된 습기의 양을 나타낸다. 시간에 따른 습기 농도 구배의 분포 모델링은 소재의 수분 확산성, 확산 거리, 습기 농도 포화에 필요한 총 소요 시간, 온도, 상대습도 등과 같은 변수들의 영향을 이해하기 위해 필요하고 통상 열-습기 상사(Thermal-Moisture Analogy)에 따른 상대 습도로 정규화된 포화 습기농도를 이용하여 수분확산 모델링을 한다.⁽⁸⁾
열중량법을 이용하여 전자 패키징 소재의 습기 수착 특성 및 가속 수명 비율을 통한 신뢰성 평가를 다음과 같이 규정할 수 있었다.
2에 각각 비교되었다. 온습도 모델이 높은 습도 영역까지 가까운 근사를 예측하였고 아레니우스 관계식에 따른 근사는 상대적으로 낮은 습도 영역에서 가까운 근사를 예측하였다.
6을 얻을 수 있었다. 즉, 온도에 따른 아레니우스식을 이용하여 얻은 가속 수명 비율은 실험적으로 예측한 확산성에 따른 소요 시간의 비율과 비교할만한 결과를 얻었고 반투과 모듈에 대해서는 비선형 확산의 발생에 따른 오차로 추정한다.
이에 따른 관련 규격 및 시험 조건은 국제 시험 규격인 Table 1과 같다. 흡습 및 탈습 확산성으로부터 얻어진 확산 활성화 에너지를 등가의 수착 수준 예측을 위해 아레니우스(Arrhenius) 식에 따라 등가 가속 수명 비율을 예측할 수 있고 열중량법을 통해 얻은 확산성과 비교하여 타당성을 고찰하였다. 가속 조건에 따른 등가의 수착 수준에 도달하기 위한 습기 확산 물성을 포함한 모델링은 소재의 확산성과 형상, 온도, 포화에 도달하기까지 총 소요 시험 시간 등과 같은 변수들의 영향을 이해하는데 필수적으로 요구된다.

이론/모형

흡습과 탈습에 따른 용해성은 수분 투과 차단에 상관없이 거의 같아 확산되어 침투된 수분이 탈습에서 동일하게 빠져 나왔다. 등가의 습기 농도에 따른 가속 수명 비율 AF(acceleration factor)는 온습도 모델(습도 가속 지수 n=0의 경우는 아레니우스 모델)을 이용하여 다음 식 (6)과 같이 표현될 수 있다.

성능/효과

(1) 등온 수분 흡습, 탈습에 따른 수분 확산성 및 용해성은 유리전이 온도 이하에서 가역적이었다. 즉, 등온에서 흡습된 수분은 구조의 변화가 없는 상태에서 동일한 시간 스케일에 대해 탈습되어짐을 알 수 있었다.
예를 들면, 고온, 고습에서 흡습 팽창을 일으키며 유전 물성을 변화시켜 전도성 고분자의 전기적 전도성과 같은 특성들을 저하시킨다.⁽¹⁾ 플라스틱 고분자 재료로 흡습된 물 분자들은 분자들간 연결에서 극성 원자들 또는 그룹들과 수소 결합을 형성한 후 수소 결합을 확대하며 다른 나노 크기의 기공(nanovoid)으로 이동하고 일부 물은 마이크로 크기의 기공들(microvoid)을 통해 점성 흐름과 같은 형태를 가진다.^(2~4) 이런 점성적 유동은 비결정상 내부에 있거나 비결정과 결정간의 계면에 있는 마이크로 크기의 기공들을 통해 흐르며 기공들 의수는 주로 용제의 기화에 의존하기도 하지만 일반적으로 필름 형태의 고분자 두께와 반비례한다고 알려져 있다.
45eV 와 유사하고 이러한 점은 수분 농도가 온도에 독립적이고 상대 습도에 의존한다는 점을 뒷받침한다.⁽¹¹⁾ 온도에 따른 반응 속도와 연관된 반응률을 나타내는 활성화 에너지는 흡습 및 탈습 과정동안 수분 확산성에서는 비선형 확산에 따른 일부 차이가 추정되었고 수분 용해성에서는 실험 영역에서 거의 같은 값을 보였다. 시편으로부터 휘발성 용제의 증발이 탈습과정에서 열중량적 측정법에서 무게의 감소에 영향을 줄 수 있으나 일반적으로 열중량적 측정법은 유리 전이온도 이하에서 수분 확산을 특성화 하는데 보다 정확하다고 알려져 있다.
(2) 변수화된 흡습 물성인 용해성과 확산성은 온도 및 습도에 따른 의존성을 나타낸다. 확산성은 시간적, 공간적 스케일에 대한 연관성을 규정하고 소재의 등가 습기 수착 수준에 요구되는 소요 시간은 박막 형태의 소재에서 지배적 확산 거리인 두께 제곱에 비례하고 이에 따른 확산성은 반비례 감소와 같다
(3) 온도 및 습도에 따른 등가 습기 수착 수준에 필요한 시간은 확산성의 비율로 표현할 수 있고 유연성 패키징 모듈에 대한 확산 활성화 에너지와 확산성을 바탕으로 예측한 가속 수명 비율과 비교할 만한 결과를 보여 주었다.
^(2~4) 이런 점성적 유동은 비결정상 내부에 있거나 비결정과 결정간의 계면에 있는 마이크로 크기의 기공들을 통해 흐르며 기공들 의수는 주로 용제의 기화에 의존하기도 하지만 일반적으로 필름 형태의 고분자 두께와 반비례한다고 알려져 있다.⁽⁵⁾유동 형태의 물은 기공들 내에 응축과 증발을 수반하고 기공들 표면에 흡착할 수도 있다.⁽⁵⁾이렇게 다양한 형태로 존재하는 극성인 물은 수산기와 함께 수소결합을 형성하여 고분자 내 결합을 파괴하고 이러한 물 분자들은 내부 수소 결합 길이를 증가시켜 고분자 재료의 팽창을 유발 유발시킨다.
46eV 로써 일반적인 패키징 소재의 값과 일치한다.⁽⁹⁾ 용해 활성화 에너지는 0.43 에서 0.5eV 로써 포화 수증기압의 아레니우스 관계식 형태로 정의되는 활성화 에너지 0.45eV 와 유사하고 이러한 점은 수분 농도가 온도에 독립적이고 상대 습도에 의존한다는 점을 뒷받침한다.⁽¹¹⁾ 온도에 따른 반응 속도와 연관된 반응률을 나타내는 활성화 에너지는 흡습 및 탈습 과정동안 수분 확산성에서는 비선형 확산에 따른 일부 차이가 추정되었고 수분 용해성에서는 실험 영역에서 거의 같은 값을 보였다.
(1) 등온 수분 흡습, 탈습에 따른 수분 확산성 및 용해성은 유리전이 온도 이하에서 가역적이었다. 즉, 등온에서 흡습된 수분은 구조의 변화가 없는 상태에서 동일한 시간 스케일에 대해 탈습되어짐을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자 패키징 기기에서 습기는 기기에 어떻게 영향을 미치는가?	전자 패키징 기기에서 습기의 존재는 기계적 또는 전기적 특성을 저하시켜 신뢰성을 감소 시킨다. 예를 들면, 고온, 고습에서 흡습 팽창을 일으키며 유전 물성을 변화시켜 전도성 고분자의 전기적 전도성과 같은 특성들을 저하시킨다.
	대표적인 습기 차단 소재는 무엇인가?	본 논문에서는 전자 패키징 기판의 절연 (Buildup) 층 재료와 패턴 현상을 위한 드라이 (Dry) 필름의 등온 흡습 및 탈습에 따른 열 중량적 반응을 조사하여 소재 내부, 외부로의 습기 확산에 대한 특성을 분석하였다. 대표적 습기 차단 소재인 PET(Polyethylene terephthalate)를 모재 (Substrate)로 가지는 유연 전자 부품의 연구가 최근 수행되고 있고 신뢰성 평가방법 중 가혹한 스트레스를 인가하는 가속시험으로 고온 고습 상태 에서 압력을 가하는 포화 증기압 시험(PCT), 불포화 증기압 시험(HAST) 등을 적용하고 있다. 이에 따른 관련 규격 및 시험 조건은 국제 시험 규격인 Table 1과 같다.
	패키징 기판의 재료인 드라이 필름은 무엇으로 구성되어 있는가?	패키징 기판의 제조에 있어서 핵심 재료 중 드라이 필름과 절연 필름을 예시할 수 있다. 드라이 필름은 폴리스티렌(Polystyrene) / 폴리메틸 메쓰아크릴레이트(Polymethyl Methacrylate) 공중합체로 구성되어 있으며 자외선(Ultraviolet)에 민감하게 경화 반응이 일어난다. TMA(Thermo Mechanical Analyzer) 를 이용한 기계적 변형 측정을 통해 예측한 유리전이온도(Tg)는 드라이 필름에 대해서는 관측되지 않았고 절연 필름에 대해서는 약 165℃로 관측되 었다.

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

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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