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문제 정의
- FOWLP 공정에서 발생되는 휨을 최소화하기 위하여본 논문에서는 여러 종류의 캐리어 및 EMC 그리고 공정 온도 등의 변수를 이용하여 수치해석을 진행하였다. 몰딩 공정 후의 발생한 휨에 대해서는 EMC의 CTE와 캐리어의 CTE가 비슷할수록 휨의 발생이 최소화됨을 알 수 있었다.
- 본 논문에서는 FOWLP의 각 공정에 사용될 재료들, 특히 EMC 및 캐리어가 휨에 어떠한 영향을 미치는지 이해하기 위하여 상용 수치 해석 프로그램인 ANSYS 12.1을 사용하여 유한요소 해석(finite element method)을 수행하였다. 본 논문에서 사용된 수치해석 모델은 adhesive tape 가 접착된 캐리어 위에 실리콘 칩이 정렬되어 있으며, 실리콘 칩 위로 EMC가 몰딩 되어 있는 구조이다.
- 또한 FOWLP의 주요 공정, 즉 EMC 큐어링 공정과 캐리어 분리 과정 후에 발생하는 휨과 응력을 해석하였다. 이를 통하여 휨 현상 메커니즘과 이를 제어하기 위한 중요 인자를 이해함으로써 휨 현상을 최소화 하고자 하였다.
제안 방법
- 그러나 탄성 해석의 결과가 FOWLP 의 휨의 경향에 대한 기본적인 경향을 나타낼 것으로 판단된다. FOWLP의 휨을 최소화하기 위하여, 실험계획법의 반응표면법을 이용하여 최적의 조합을 찾았으며, 휨에 가장 영향을 미치는 인자는 캐리어의 CTE, EMC의 CTE, EMC의 탄성계수 순이었다. 이 3가지 인자들을 최적화한 결과 FOWLP의 휨을 7.
- 7,8,12,32)Alloy42는 일반적으로 리드프레임 재질로 많이 사용되고 있는 42% NiFe 재질을 의미한다. 또한 EMC 재료의 영향을 파악하기 위하여 현재 사용되고 있는 다양한 EMC 재질이나, 여러 논문에서 제시하고 있는 대표적인 EMC들을 선택하여 해석을 진행하였으며, 사용된 EMC의 물성은 Table 4와 같다.7,8,10,16,24,32) 본 논문에서 사용된 EMC의 탄성계수(Young's modulus)는 8.
- 휨에 영향을 미치는 주요 인자에 대해서 연구하고 휨을 최소화하기 위해, 여러 종류의 EMC 및 다양한 재질의 캐리어(carrier)를 사용하여 휨의 경향을 예측하였다. 또한 FOWLP의 주요 공정, 즉 EMC 큐어링 공정과 캐리어 분리 과정 후에 발생하는 휨과 응력을 해석하였다. 이를 통하여 휨 현상 메커니즘과 이를 제어하기 위한 중요 인자를 이해함으로써 휨 현상을 최소화 하고자 하였다.
- 사용된 FOWLP 모델은 x,y 방향에 대하여 대칭 구조이므로 1/4 대칭(quarter symmetric)으로 모델링 하였으며 소요되는 시간과 해석의 용이성을 고려하여 결과의 오차가 크지 않은 조건 하에서 모델을 단순화 하였다. 변위 경계조건은 전체 모델의 대칭이 시작하는 부분의 중심점과 z 축 방향의 일부 절점들을 x,y,z 축으로 모두 구속하여 해석을 수행하였다. 휨 해석 모델에 가해지는 열 하중 조건, 즉 공정 온도조건은 Fig.
- 본 논문에서는 FOWLP 패키지에 대하여 휨의 경향을 수치해석을 이용하여 분석하였다. 휨에 영향을 미치는 주요 인자에 대해서 연구하고 휨을 최소화하기 위해, 여러 종류의 EMC 및 다양한 재질의 캐리어(carrier)를 사용하여 휨의 경향을 예측하였다.
- 본 연구에서는 crying (∩) 형태의 휨을 음의 휨으로 규정하였다.
- 4와 같으며 절점(node)의 수는 약 364070, 요소(element)의 수는 146934이다. 사용된 FOWLP 모델은 x,y 방향에 대하여 대칭 구조이므로 1/4 대칭(quarter symmetric)으로 모델링 하였으며 소요되는 시간과 해석의 용이성을 고려하여 결과의 오차가 크지 않은 조건 하에서 모델을 단순화 하였다. 변위 경계조건은 전체 모델의 대칭이 시작하는 부분의 중심점과 z 축 방향의 일부 절점들을 x,y,z 축으로 모두 구속하여 해석을 수행하였다.
- 이때 사용된 EMC는 현재 개발 단계에서 많이 사용 되고 있는 FOWLP용 EMC의 하나인 EMC_D를 사용하여 해석을 수행하였다. 휨 해석은 170℃에서 EMC 몰딩한 후 온도가 상온으로 되었을 때의 휨과, 그 웨이퍼를 다시 170℃의 온도로 올린 상태에서 캐리어를 떼어낸(detach) 후에 상온으로 온도를 내렸을 때의 휨에 대해서 각각 해석을 수행하였다. 통상적인 칩 레벨의 반도체 패키지에서는 EMC 몰딩 후 상온으로 내려왔을 때의 패키지 휨이 매우 중요하다.
- 본 논문에서는 FOWLP 패키지에 대하여 휨의 경향을 수치해석을 이용하여 분석하였다. 휨에 영향을 미치는 주요 인자에 대해서 연구하고 휨을 최소화하기 위해, 여러 종류의 EMC 및 다양한 재질의 캐리어(carrier)를 사용하여 휨의 경향을 예측하였다. 또한 FOWLP의 주요 공정, 즉 EMC 큐어링 공정과 캐리어 분리 과정 후에 발생하는 휨과 응력을 해석하였다.
대상 데이터
- 3은 FOWLP의 개략도를 보여주고 있으며, 실리콘 칩의 크기는 5×5 mm2이며, 실리콘 칩과 칩 사이의 간격은 3 mm이고, 두께는 200 m이다. Adhesive tape의 두께는 58 m이며, EMC의 두께는 500 m로 하였다. 본 논문에서 사용된 재료들의 상세 치수는 Tabel 1과 같다.
- 1을 사용하여 유한요소 해석(finite element method)을 수행하였다. 본 논문에서 사용된 수치해석 모델은 adhesive tape 가 접착된 캐리어 위에 실리콘 칩이 정렬되어 있으며, 실리콘 칩 위로 EMC가 몰딩 되어 있는 구조이다. 캐리어 웨이퍼의 직경은 200 mm (8 inch) 였으며, 두께는 1 mm이다.
- 수치 해석을 위하여, 8 절점 3 차원 요소를 형성하는 Solid 186 및 Shell 281 요소를 사용하였다. 수치해석에 사용된 모델은 Fig.
- 수치 해석을 위하여, 8 절점 3 차원 요소를 형성하는 Solid 186 및 Shell 281 요소를 사용하였다. 수치해석에 사용된 모델은 Fig. 4와 같으며 절점(node)의 수는 약 364070, 요소(element)의 수는 146934이다. 사용된 FOWLP 모델은 x,y 방향에 대하여 대칭 구조이므로 1/4 대칭(quarter symmetric)으로 모델링 하였으며 소요되는 시간과 해석의 용이성을 고려하여 결과의 오차가 크지 않은 조건 하에서 모델을 단순화 하였다.
- Table 5는 휨의 수치 해석 결과와 실험에 의한 휨의 측정 결과를 비교한 데이터이며, 해석된 warpage contour와 측정 결과의 한 예를 보여주고 있다. 이때 사용된 캐리어는 SUS304이며, EMC 는 EMC_D를 사용하여 해석 및 측정을 수행하였다. 우선EMC 몰딩 후 상온으로 감소시켰을 때 측정 결과는 약 3 mm로서 해석 결과인 2.
데이터처리
- 수치해석 결과를 검증하기 위하여 실험에 의한 측정 결과와 수치해석 결과를 비교하였다. Table 5는 휨의 수치 해석 결과와 실험에 의한 휨의 측정 결과를 비교한 데이터이며, 해석된 warpage contour와 측정 결과의 한 예를 보여주고 있다.
- 7은 FOWLP의 휨의 경향, 즉 warpage contour를 나타내고 있다. 이때 사용된 EMC는 현재 개발 단계에서 많이 사용 되고 있는 FOWLP용 EMC의 하나인 EMC_D를 사용하여 해석을 수행하였다. 휨 해석은 170℃에서 EMC 몰딩한 후 온도가 상온으로 되었을 때의 휨과, 그 웨이퍼를 다시 170℃의 온도로 올린 상태에서 캐리어를 떼어낸(detach) 후에 상온으로 온도를 내렸을 때의 휨에 대해서 각각 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 3. Schematic diagram and dimension of FOWLP used in this study.
- 본 연구의 휨 해석 결과, 몰딩 공정 후에 FOWLP 구조 에서 휨에 영향을 줄 수 있는 인자로는 캐리어의 탄성계 수와 CTE, EMC의 탄성계수와 CTE 등이 있다. 휨 해석 결과를 바탕으로 휨의 영향이 비교적 큰 인자를 정의 하고, 최적 조합을 구하기 위하여 실험계획법(design of experiment, DOE)의 반응표면법 (response surface method, RSM)을 이용하였다. 이 방법은 분산분석이나 요인 배치실험 등을 통하여 얻은 최적 조건 주위에서 어떤 관계식을 갖고 있는지 분석하는 방법으로서 FOWLP 구조의 휨해석 결과를 최적 값에 근사하도록 설계할 수 있다.
성능/효과
- Table 6은 FOWLP 몰딩 공정에 대한 휨 최적 설계를 위하여 휨에 가장 영향을 미치는 3가지 인자와 수준 (level)을 보여주는 표이다. RMS 해석 결과 캐리어의 CTE가 약 5 ppm/℃이고, EMC의 탄성계수는 8.5 GPa, EMC의 CTE가 7 ppm/℃로 최적 설계 조건을 파악 할 수있다. 이 최적화 된 설계 변수들의 조합을 사용하여 수치 해석한 결과 Fig.
- 3 µm 로 최소화 된 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 FOWLP 몰딩 공정에서 EMC의 탄성계수와 CTE는 낮을수록 좋으며, 캐리어의 CTE는 낮을수롤 좋으나, 너무 낮을 경우 휨이 최소로 나타나지는 약 5 ppm/℃를 전후로 crying에서 smile로 휨의 모양이 바뀌면서 휨은 다시 발생하게 되는 것을 알 수 있었다. 한편 캐리어 분리 공정 후에 발생하는 휨을 최적화하기 위한 RSM 해석은 수행하지 않았다 .
- 또한 캐리어의 CTE가 5~12 ppm/℃ 사이인 캐리어 사용 시 휨이 최소로 발생됨을 알 수 있었다. 결론적으로 EMC의 CTE (8 ppm/℃)와캐리어의 CTE가 비슷할수록 휨의 발생이 최소화됨을 알수 있었다. 한편 캐리어의 탄성계수가 높을수록 휨이 감소하였다.
- 또한 캐리어를 분리한 후의 응력도 약 5 MPa로서 매우 낮음을 알 수 있었다. 결론적으로 FOWLP 공정에서 휨에 의하여 칩이 파괴될 가능성은 거의 없다고 판단된다. 한편 Fig.
- 그러나 현실적으로 실리콘 칩과 유사한 CTE를 갖는 EMC를 개발하는 것은 매우 힘들기 때문에 EMC의 CTE를 가능한 낮게 하는 것이 필요하다. 결론적으로 몰딩된 웨이퍼의 휨은 EMC 자체의 물성, 특히 EMC의 CTE에 지배적인 영향을 받음을 알 수 있다. 따라서 궁극적으로 FOWLP의 휨을 감소시키기 위해서는 CTE가 낮은 EMC를 사용하는 것이 휨에 유리하다.
- 따라서 EMC 물성의 영향이 휨에 매우 중요 함을 알 수 있었다. 궁극적으로 FOWLP의 휨을 감소시키기 위해서는 CTE가 적은 EMC 및 Tg가 높은 EMC를 사용하는 방법이 효과적일 것으로 판단된다. 휨에 의하여 발생된 최대응력은 휨이 가장 많이 발생한 알루미늄 캐리어의 경우, 약 112 MPa로서 실리콘 칩의 파괴 응력인 1 GPa 에 비하여 매우 낮기 때문에 휨에 의하여 실리콘 칩의 파괴될 가능성은 거의 없다.
- 해석 결과와 실험 결과와의 차이는 실제 온도에 따른 EMC 재료의 물성을 고려한 점탄성 해석이 아닌 탄성해석의 결과로 인하여 발생한 것으로 판단된다. 그러나 탄성 해석의 결과가 FOWLP 의 휨의 경향에 대한 기본적인 경향을 나타낼 것으로 판단된다. FOWLP의 휨을 최소화하기 위하여, 실험계획법의 반응표면법을 이용하여 최적의 조합을 찾았으며, 휨에 가장 영향을 미치는 인자는 캐리어의 CTE, EMC의 CTE, EMC의 탄성계수 순이었다.
- 휨이 가장 많이 발생한 알루미늄 캐리어의 경우 최대 von Mises 응력은 약 112 MPa로서 실리콘 칩의 파괴 응력인 1 GPa 에 비하여 매우 낮다. 또한 캐리어를 분리한 후의 응력도 약 5 MPa로서 매우 낮음을 알 수 있었다. 결론적으로 FOWLP 공정에서 휨에 의하여 칩이 파괴될 가능성은 거의 없다고 판단된다.
- 대략적으로 CTE가 약 8 ppm/℃ 이하의 캐리어 재질에서는 smile (∪) 형태의 휨이, 그 이상에서는 crying 형태의 휨이 발생함을 알 수 있었다. 또한 캐리어의 CTE가 5~12 ppm/℃ 사이인 캐리어 사용 시 휨이 최소로 발생됨을 알 수 있었다. 결론적으로 EMC의 CTE (8 ppm/℃)와캐리어의 CTE가 비슷할수록 휨의 발생이 최소화됨을 알수 있었다.
- FOWLP 공정에서 발생되는 휨을 최소화하기 위하여본 논문에서는 여러 종류의 캐리어 및 EMC 그리고 공정 온도 등의 변수를 이용하여 수치해석을 진행하였다. 몰딩 공정 후의 발생한 휨에 대해서는 EMC의 CTE와 캐리어의 CTE가 비슷할수록 휨의 발생이 최소화됨을 알 수 있었다. 또한 몰딩 공정 온도를 170℃에서 120℃로 낮춘 경우, FOWLP의 휨은 약 34% 정도 감소함을 알 수 있었다.
- 11은 실험계획법의 요인배치법(factorial design)을 이용하여 파레토(pareto) 차트로 나타낸 결과이다. 몰딩 공정에서 가장 큰 영향을 미치는 인자는 캐리어 CTE이며, EMC 의 CTE, EMC의 탄성계수의 순으로 휨에 영향을 미치고 있었다. Table 6은 FOWLP 몰딩 공정에 대한 휨 최적 설계를 위하여 휨에 가장 영향을 미치는 3가지 인자와 수준 (level)을 보여주는 표이다.
- 본 연구의 휨 해석 결과, 몰딩 공정 후에 FOWLP 구조 에서 휨에 영향을 줄 수 있는 인자로는 캐리어의 탄성계 수와 CTE, EMC의 탄성계수와 CTE 등이 있다. 휨 해석 결과를 바탕으로 휨의 영향이 비교적 큰 인자를 정의 하고, 최적 조합을 구하기 위하여 실험계획법(design of experiment, DOE)의 반응표면법 (response surface method, RSM)을 이용하였다.
- 우선 170℃에서 EMC 몰딩한 후 상온이 되었을 때의 FOWLP의 휨을 살펴보면, Alloy42 및 실리콘 캐리어를 제외하고는 모두 위로 볼록한 crying (∩) 형태의 휨이 발생한 것을 알 수 있었다.
- 이때 사용된 캐리어는 SUS304이며, EMC 는 EMC_D를 사용하여 해석 및 측정을 수행하였다. 우선EMC 몰딩 후 상온으로 감소시켰을 때 측정 결과는 약 3 mm로서 해석 결과인 2.2 mm와 비교하여 보았을 때 약 26%의 오차가 발생하였다. 또한 캐리어를 분리시킨 후웨이퍼의 휨은 측정 결과 약 2 mm이였으며, 해석 결과는 1.
- FOWLP의 휨을 최소화하기 위하여, 실험계획법의 반응표면법을 이용하여 최적의 조합을 찾았으며, 휨에 가장 영향을 미치는 인자는 캐리어의 CTE, EMC의 CTE, EMC의 탄성계수 순이었다. 이 3가지 인자들을 최적화한 결과 FOWLP의 휨을 7.3 µm로 최소화 할 수 있었다.
- 이 최적화 된 설계 변수들의 조합을 사용하여 수치 해석한 결과 Fig. 12과 같이 FOWLP의 휨이 7.3 µm 로 최소화 된 것을 확인할 수 있었다.
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