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문제 정의
- 본 논문에서는 카메라 모듈 패키지에서 다이 본딩 에폭시가 warpage와 광학성능에 어떠한 영향을 미치는지 알아 보았다. 수식 및 유한 요소 해석을 통해 warpage의 형태 및 발생 정도를 미리 예측하였고, 카메라 모듈 시료 제작을 통한 실험으로 실제 warpage 발생량과 그에 따른 through-focus MTF를 측정했다.
- 본 연구에서는 다이 본딩 에폭시가 카메라 모듈 패키지 과정에서 warpage와 광학성능에 어떠한 영향을 미치는지 확인하고자 하였다. 먼저 이론적 수식을 검증하였고 유한요소법 수치해석을 통해 실험 결과를 미리 예측해보았다.
- 시료 제작에 앞서 이미지 센서 자체의 warpage를 측정하였다. 패키지 전과 후에 이미지 센서 상면의 평탄도를 측정하여 그 변화량을 관찰함으로써 패키지 과정에서 warpage가 얼마나 발생하는지 확인하고자 했다.
제안 방법
- MTF 측정은 ISO-12233 방법에 의거하여 측정했다.[16] 본 연구에 사용된 테스트 차트는 그림 12에서와 같이 ISO-12233 차트로부터 센서의 이미지 포맷에 맞게 수정하여 사용했다. 그림 13는 이미지 센서의 각 필드 정보를 나타낸 것으로, 본 연구에서는 그림에서 붉게 표시된 중심필드와 4곳의 0.
- 이 후 온도 80℃의 챔버(chamber)에서 40분간 에폭시를 경화하고 와이어본딩으로 센서와 기판을 전기적으로 연결하는 공정을 진행했다. 공정 별 에폭시 warpage를 확인하기 위해 에폭시 경화 후, 그리고 와이어 본딩이 완료된 후에 시료들의 이미지 센서 상면의 평탄도를 측정하였다. 광학성능 평가를 위해서 MTF 측정이 필요하므로 이를 위해 이후 공정을 진행하여 MTF 측정이 가능한 최종 카메라 모듈을 제작했다.
- 공정 별 에폭시 warpage를 확인하기 위해 에폭시 경화 후, 그리고 와이어 본딩이 완료된 후에 시료들의 이미지 센서 상면의 평탄도를 측정하였다. 광학성능 평가를 위해서 MTF 측정이 필요하므로 이를 위해 이후 공정을 진행하여 MTF 측정이 가능한 최종 카메라 모듈을 제작했다. 그림 9에 카메라 모듈 패키지의 주요 공정도를 나타냈다.
- [16] 본 연구에 사용된 테스트 차트는 그림 12에서와 같이 ISO-12233 차트로부터 센서의 이미지 포맷에 맞게 수정하여 사용했다. 그림 13는 이미지 센서의 각 필드 정보를 나타낸 것으로, 본 연구에서는 그림에서 붉게 표시된 중심필드와 4곳의 0.8 필드의 through-focus MTF를 측정하여 중심 대비 0.8 필드의 MTF 최대값의 차이로 상면 만곡량을 계산했다.
- 이 때 초점 거리는 DAC(Digital to Analog Conversion)값으로 표현 되는데 이는 VCM을 구동시킬 때 사용하는 드라이버 IC가 DAC값에 의해 제어 되기 때문이다. 따라서 DAC값을 거리 값으로 환산해 주기 위해 초점 거리에 따른 렌즈의 높이 변화를 레이져 거리 측정기로 같이 측정했다. DAC 값에 따른 초점 거리 변화량의 비를 민감도(sensitivity)라고 정의하며 VCM의 주요 구동 특성 중 하나이다.
- 본 연구에서는 다이 본딩 에폭시가 카메라 모듈 패키지 과정에서 warpage와 광학성능에 어떠한 영향을 미치는지 확인하고자 하였다. 먼저 이론적 수식을 검증하였고 유한요소법 수치해석을 통해 실험 결과를 미리 예측해보았다. 또한 카메라 모듈 시료를 제작하여 에폭시의 물성치에 따른 패키지 warpage의 발생량을 실험적으로 측정하였고, 이를 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 비교하였다.
- 본 시료 제작에 사용된 패키지 방식은 와이어 본딩 방식으로 FR4 기판 위에 에폭시를 도포한 후 이미지 센서다이를 올렸다. 이 때 최종 경화 후 에폭시의 두께가 0.
- 하지만 에폭시의 두께를 증가시키는 것은 제조 관점에서 봤을 때 균일한 높이로 관리하기 어려우며, 에폭시 두께가 증가하면 카메라 모듈 전체 높이가 증가하게 되는 등의 단점이 있어 실제로 적용하는데 어려움 있다. 본 연구에서는 에폭시 두께에 대한 실험은 제외하고 탄성계수 차이에 대한 실험만 진행하였다.
- 본 논문에서는 카메라 모듈 패키지에서 다이 본딩 에폭시가 warpage와 광학성능에 어떠한 영향을 미치는지 알아 보았다. 수식 및 유한 요소 해석을 통해 warpage의 형태 및 발생 정도를 미리 예측하였고, 카메라 모듈 시료 제작을 통한 실험으로 실제 warpage 발생량과 그에 따른 through-focus MTF를 측정했다. 유한 요소 해석과 실제 측정 결과, 모두 낮은 탄성계수 값의 에폭시에서 warpage가 개선되는 것을 확인했고, 형태 및 수치 등의 결과가 잘 일치하는 것을 알 수 있었다.
- 시료 제작에 앞서 이미지 센서 자체의 warpage를 측정하였다. 패키지 전과 후에 이미지 센서 상면의 평탄도를 측정하여 그 변화량을 관찰함으로써 패키지 과정에서 warpage가 얼마나 발생하는지 확인하고자 했다.
- 시편 제작을 통한 실험에 앞서 유한요소해석을 통하여 warpage 값을 예측해 보았다. 해석에 사용된 프로그램은 상용 해석프로그램인 CATIA를 사용하였다.
- 본 시료 제작에 사용된 패키지 방식은 와이어 본딩 방식으로 FR4 기판 위에 에폭시를 도포한 후 이미지 센서다이를 올렸다. 이 때 최종 경화 후 에폭시의 두께가 0.02㎜로 일정하게 유지되도록 장비에서 에폭시 도포량 및 다이 마운트(mount) 압력을 최적화했다. 이 후 온도 80℃의 챔버(chamber)에서 40분간 에폭시를 경화하고 와이어본딩으로 센서와 기판을 전기적으로 연결하는 공정을 진행했다.
- 이미지 센서 상면의 평탄도를 측정하기 위해 본 연구에서는 비접촉식 3차원 광학 측정기술인 광절단법(light sectioning method)을 이용한 시스템을 사용했다. 이 시스템은 광원에서 구조화 조명광(줄무늬 투영광)을 텔레센트릭(telecentric) 투광 렌즈를 통해서 비스듬하게 대상 물체에 조사한다. 그림 10에서와 같이 대상 물체에 고저차가 없을 때 줄무늬 투영광은 점 O의 위치에 닿는다.
- 02㎜로 일정하게 유지되도록 장비에서 에폭시 도포량 및 다이 마운트(mount) 압력을 최적화했다. 이 후 온도 80℃의 챔버(chamber)에서 40분간 에폭시를 경화하고 와이어본딩으로 센서와 기판을 전기적으로 연결하는 공정을 진행했다. 공정 별 에폭시 warpage를 확인하기 위해 에폭시 경화 후, 그리고 와이어 본딩이 완료된 후에 시료들의 이미지 센서 상면의 평탄도를 측정하였다.
- 또한 카메라 모듈 시료를 제작하여 에폭시의 물성치에 따른 패키지 warpage의 발생량을 실험적으로 측정하였고, 이를 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 최종적으로 카메라 모듈 시료의 through-focus MTF를 측정함으로써 패키지 warpage가 광학성능에 어떠한 영향을 미치는지 분석했다.
- 그림 5에 시료 제작에 사용될 카메라 모듈패키지의 디자인을 나타내었다. 패키지의 디자인이 대칭 구조로 되어 있어 본 해석에서는 패키지의 1/4만을 고려하여 모델링 하였으며 해석에 소요되는 시간과 해석의 용이성을 고려하여 결과에 영향이 크지 않은 범위에서 모델을 단순화 하였다. 본 해석을 위해 parabolic tetrahedral 요소를 사용하였으며 총 절점의 수는 202,409개, 요소의 수는 130,552개로 구성되었다.
대상 데이터
- [15]. 본 연구에서는 민감도가 3(㎛/DAC)인 VCM을 사용했다.
- 패키지의 디자인이 대칭 구조로 되어 있어 본 해석에서는 패키지의 1/4만을 고려하여 모델링 하였으며 해석에 소요되는 시간과 해석의 용이성을 고려하여 결과에 영향이 크지 않은 범위에서 모델을 단순화 하였다. 본 해석을 위해 parabolic tetrahedral 요소를 사용하였으며 총 절점의 수는 202,409개, 요소의 수는 130,552개로 구성되었다. 에폭시는 높은 종횡비(aspect ratio)를 고려하여 그림 6에서와 같이 요소를 두께방향으로 4층으로 생성하였다[12].
데이터처리
- 먼저 이론적 수식을 검증하였고 유한요소법 수치해석을 통해 실험 결과를 미리 예측해보았다. 또한 카메라 모듈 시료를 제작하여 에폭시의 물성치에 따른 패키지 warpage의 발생량을 실험적으로 측정하였고, 이를 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 최종적으로 카메라 모듈 시료의 through-focus MTF를 측정함으로써 패키지 warpage가 광학성능에 어떠한 영향을 미치는지 분석했다.
- 시편 제작을 통한 실험에 앞서 유한요소해석을 통하여 warpage 값을 예측해 보았다. 해석에 사용된 프로그램은 상용 해석프로그램인 CATIA를 사용하였다. 그림 5에 시료 제작에 사용될 카메라 모듈패키지의 디자인을 나타내었다.
이론/모형
- MTF 측정은 ISO-12233 방법에 의거하여 측정했다.[16] 본 연구에 사용된 테스트 차트는 그림 12에서와 같이 ISO-12233 차트로부터 센서의 이미지 포맷에 맞게 수정하여 사용했다.
- 광학 성능 평가는 through-focus MTF 측정을 통해 상면 만곡을 계산하는 방법을 사용했다. 이는 카메라 모듈의 VCM(Voice Coil Motor)을 구동시켜 렌즈의 초점 거리를 변화시켜 가면서 각 필드(field)별로 MTF값을 측정하는 방법으로 각 필드의 MTF 최대(peak)값의 위치가 중심 필드의 MTF 최대 값으로부터 얼마나 떨어져 있는지를 계산하면 상면 만곡을 구할 수 있다[14].
- 이미지 센서 상면의 평탄도를 측정하기 위해 본 연구에서는 비접촉식 3차원 광학 측정기술인 광절단법(light sectioning method)을 이용한 시스템을 사용했다. 이 시스템은 광원에서 구조화 조명광(줄무늬 투영광)을 텔레센트릭(telecentric) 투광 렌즈를 통해서 비스듬하게 대상 물체에 조사한다.
성능/효과
- 그림 17에 두 종류의 에폭시를 사용한 카메라 모듈의 through-focus MTF 측정 결과를 나타내었다. Epoxy B를 적용한 카메라 모듈의 상면 만곡은 3 ㎛ 수준으로 12 ㎛ 수준인 Epoxy A에 비해 많이 개선된 것을 확인 할 수 있다. 이를 앞서 보았던 warpage 측정결과와 비교해 보면 warpage가 많이 발생한 Epoxy A에서는 상면 만곡량 또한 크게 나타나고, warpage가 작은 Epoxy B에서는 상면 만곡량이 작게 나타남을 알 수 있다.
- 유한 요소 해석과 실제 측정 결과, 모두 낮은 탄성계수 값의 에폭시에서 warpage가 개선되는 것을 확인했고, 형태 및 수치 등의 결과가 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. 그리고 warpage가 개선된 시료는 through-focus MTF 또한 개선되는 것을 확인했다. 종합해보면 카메라 모듈에서의 다이 본딩 에폭시는 패키지 과정에서 발생하는 이미지 센서의 warpage에 밀접한 영향을 미치며, 이는 결국 상면 만곡과 관련된 광학성능에도 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
- 두 종류의 에폭시를 사용한 시료들 모두 이미지 센서의 warpage가 원자재 상태에서는 (–)값을 가지다가 공정이 진행될수록 (+) 값으로 점차 증가하는 것을 알 수 있다.
- 수식 및 유한 요소 해석을 통해 warpage의 형태 및 발생 정도를 미리 예측하였고, 카메라 모듈 시료 제작을 통한 실험으로 실제 warpage 발생량과 그에 따른 through-focus MTF를 측정했다. 유한 요소 해석과 실제 측정 결과, 모두 낮은 탄성계수 값의 에폭시에서 warpage가 개선되는 것을 확인했고, 형태 및 수치 등의 결과가 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. 그리고 warpage가 개선된 시료는 through-focus MTF 또한 개선되는 것을 확인했다.
- 그리고 warpage가 개선된 시료는 through-focus MTF 또한 개선되는 것을 확인했다. 종합해보면 카메라 모듈에서의 다이 본딩 에폭시는 패키지 과정에서 발생하는 이미지 센서의 warpage에 밀접한 영향을 미치며, 이는 결국 상면 만곡과 관련된 광학성능에도 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 초점심도 마진이 부족한 초고해상도 카메라 모듈 개발에 있어서 패키지 warpage로 인한 광학성능의 저하가 제품 수율에 미치는 영향은 점차 증대되는 추세인데, 본 연구를 통해 패키지 warpage 개선 및 광학 성능 향상에 기여할 수 있었다.
- 종합해보면 카메라 모듈에서의 다이 본딩 에폭시는 패키지 과정에서 발생하는 이미지 센서의 warpage에 밀접한 영향을 미치며, 이는 결국 상면 만곡과 관련된 광학성능에도 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 초점심도 마진이 부족한 초고해상도 카메라 모듈 개발에 있어서 패키지 warpage로 인한 광학성능의 저하가 제품 수율에 미치는 영향은 점차 증대되는 추세인데, 본 연구를 통해 패키지 warpage 개선 및 광학 성능 향상에 기여할 수 있었다.
- 두 에폭시 모두 이론 식에서와 같이 포물선 형태로 변형이 발생함을 알 수 있다. 하지만 Epoxy B가 Epoxy A에 비해 더욱 완만한 포물선 형태로 warpage가 발생하였고 최대 변위 또한 Epoxy B(3.39um)가 Epoxy A(10.02um)에 비해 작은 값을 가짐을 확인할 수 있다. 그림 8은 에폭시 두께에 따른 warpage량를 해석한 결과로 에폭시의 두께가 증가할수록 warpage는 감소하는 것을 알 수 있다.
후속연구
- Epoxy A의 경우 측정된 warpage가 해석결과에서와 같이 완만한 포물선의 형태로 잘 나타나는데 비해 Epoxy B는 포물선의 형상이 잘 나타나지 않고 있다. 이는 시료 제작 과정에서 에폭시가 고르게 잘 도포되지 않았거나 그 외 다른 공정 요인으로 인해 발생하였을 수 있으며,자세한 원인 분석을 위해 추후에 좀더 연구해 볼 필요가 있겠다. 그림 15는 유한요소 해석을 통한 수치해석 결과와 실험 결과를 비교한 것으로 두 결과가 근사한 값을 보였다.
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