열기계적 거동 이해 위한 분석법 연구 소개 

복잡한 논리 연산을 수행하는 칩이 제작되면 다음 단계에서 전자 패키징 기술이라는 반도체 후공정이 제품 구현의 마무리 단계가 된다. 외부의 고온 다습한 환경과 물리적인 충격에 대비하여 반도체를 보호하는 포장 (encapsulation) 역할도 중요하지만, 칩과 기판간 전기적, 기계적 연결 역할을 하는 패키징 인터커넥션 (interconnection) 기술이 가장 중요하다. 

이번 기고는 전자 제품의 전기적 성능 저하에 영향을 주는 접속부 파손 유형에 대해 소개하며, 파손 메커니즘 파악을 위한 연구 사례들을 살펴보려 한다. 

글/ 주병권 (고려대학교 전기전자공학부 교수)
      손민정 (한국생산기술연구원 지능화뿌리기술연구소, 고려대학교 전기전자공학부 박사 과정)
 

목 차

1. 전자 패키지 구조 
    1-1. BGA(Ball Grid Array) 구조 
    1-2. Flip-chip 구조  
2. 전자 패키지 접속부의 파손 및 변형 유형 
    2-1. 균열(crack) 
    2-2. 크레이터링(cratering)
    2-3. 휨(warpage) 
3. 전자 패키지의 열기계적 거동 분석법 연구 소개 
    3-1. 모아레(Moiré) 패턴 분석 
    3-2. 디지털 이미지 상관법(DIC, Digital Image Correlation)
4. 결론
5. 참고 문헌
 


1. 전자 패키지 구조 

1-1. BGA(Ball grid array) 구조 

파손 유형 소개에 앞서 반도체 패키징 구조에 대해 설명하고자 한다. 전반적인 BGA 구조는 반도체 칩을 레진 계통의 성형 (mold) 소재가 감싸고 있으며, 하단의 인쇄회로기판(PCB, Printed circuit board)은 수지 성분의 절연 재질에 구리 소재가 회로로 형성되어 있다. 그리고 상단의 칩 패키지(chip package)와 기판 사이로 여러 개의 솔더볼(solder balls)이 나열되어 있는데, 해당 영역을 솔더 조인트(solder joint) 라고 일컫는다.

또한 그림 1에서 확인할 수 있듯이, 인쇄회로기판 위와 칩 패키지에 솔더 마스크(solder mask)가 도포되어 있다. 솔더 마스크의 역할은 구리 특성 상 공기 중에 산화될 가능성이 높고, 외부 충격에 손상되기 쉽기 때문에 구리 회로를 보호하는 것이다. 
 

1-2. 플립 칩(flip-chip) 패키지 구조

플립 칩은 그림 2와 같이, 칩이 성형되어 있는 칩 패키지 내부에 기판과의 연결을 위해 추가적인 솔더 범프 (Solder bump)가 들어가 있는 구조이다. 범프 (Bump)는 솔더 볼보다 작은 직경으로 형성된 볼을 말한다. 플립 칩 공정은 일반 패키징 공정과 달리 칩을 뒤집어서 기판이나 다른 칩에 접합하는 기술을 사용한다. ^[3] 
 

플립 칩 본딩 패키징 기술이 등장하기 이전에는 와이어본딩 패키징 방식이 활용되어져 왔다. 그림 3의 접합 구조를 보면 얇은 금속 와이어를 사용하여 집적 회로 (IC, Integrated circuit) 또는 다른 칩과 기판 간의 상호 연결을 목적으로 한다. 

그러나, 솔더 범프 직경이 작아 전기적 신호 전달에 있어 시간 소요가 많으며, 방대한 양의 데이터를 처리하기 위해 볼과 볼 사이의 간격이 점점 좁히는 미세 피치 (pitch) 설계와 부합하지 않아, 플립 칩 기술이 등장하였다. 

   

2. 전자패키지 접속부의 파손 및 변형 유형 

2-1. 균열(crack) 

전자 패키지의 접속부에서 발생하는 파손 현상 중 하나로, 균열을 이야기할 수 있다. 그림 4와 같이 인쇄회로기판 위에 실장되어 있는 솔더볼과 인접한 위치의 구리 패드 사이에 균열이 관찰되는 경우가 주로 보고되고 있다. 그림 5의 경우, 솔더볼 내부에서 발생한 균열 사진이다. 

균열을 야기하는 원인으로는 이종 접합 소재 (heterogenous materials)간의 열팽창계수(CTE, Coefficient of thermal expansion) 차이가 있으며, 외부의 균일하지 못한 온도 분포가 있다.  또한, 지속적으로 극한 온도 환경 노출에 따른 솔더 미세구조 변화도 솔더 접합 계면의 열 기계적 파손을 유도한다. ^[7] 
     

2-2. 크레이터링(cratering) 

균열 현상 외에도, 전자 패키지 구조 내부에서 정확히는 구리 패드와 인쇄 회로기판 그리고 인쇄 회로기판의 접착제 사이에서 발생하는 크레이터링 현상도 관찰되고 있다. 그림 6의 크레이터링 파손의 원인은 솔더 조인트의 강성으로 보고되어 있다. ^[8] 

또한, 외부의 기계적 하중이 걸려있을 때 그림 7과 같이 구리 패드의 코너(corner) 부분에 응력이 집중되는 것과 구리 패드, PCB 기판, 그리고 PCB 기판 접착제 간의 CTE 차이도 크레이터링 발생을 유도하고 있다. 그리고 크레이터링과 같은 균열의 진전 방향은 PCB 기판 내 유리 섬유 번들 위치와 번들의 방향에 따라서 각각 다르게 나타난다. 
   
2-3. 휨(warpage)

반도체 패키징 제품의 열기계적 신뢰성 확보에 있어, 휨 현상 문제는 반드시 해결해야할 과제이다. 휨은 패키징 열처리 공정, 전해 도금 공정, 웨이퍼(wafer) 접합 공정 등에서 많은 응력을 받아 기판이 휘는 변형 현상을 말한다. 공정 과정에서 발생한 휨 현상은 다음 단계의 패키징 공정에 지장을 줄 뿐만 아니라 칩과 기판과의 접합 과정에서 계면 박리 현상이나 위에서 언급한 균열 현상으로 이어진다. ^[10] 그림 8은 휨 변형 방향에 따른 접합부 형상을 보여주고 있다. 

휨 현상은 두 가지의 변형 형태로 나뉘는데, 온도가 높아질 때 오목해지는 형태(smiling-concave)와 온도가 낮아질 때 볼록해지는 형태(crying-convex)로 구분된다. 온도 변화에 따라 휨 형태는 오목한 상태에서 볼록한 상태로 바뀔 수 있다. 그리고 휨은 패키지를 구성하는 소재, 패키지 구조 그리고 패키징 기판 두께에 따라 형상이 제각각 다르다. 
   

3. 전자 패키지의 열기계적 거동 분석법 관련 연구 소개

최근 전자 패키지 제품의 열기계적 거동을 이해하고, 파손이 일어날 곳을 정확히 예측할 수 있는 분석법을 개발하여, 매크로, 마이크로 스케일에서 열기계적 변형 거동을 이해하는데 도움을 주고 있다. 

3-1. 모아레(moiré) 패턴 분석법

모아레 패턴 분석법은 광학적 설계를 통해 빛의 간섭과 회절 현상을 유도하여 관찰하고자 하는 타겟 샘플의 표면 위에 물결무늬 패턴을 형성, 샘플의 변형에 따라 변화하는 패턴을 모니터링한다. 그림 9는 온도 상승에 따른 패키지 표면의 모아레 패턴 변화를 보여주고 있다. 

칩(chip) 패키지 영역과 솔더 접합부 및 기판 영역 별 변형 분석은 물결무늬 패턴 간 간격 차이에 따라 다르게 해석할 수 있다. 패턴 간격이 좁을수록 해당하는 영역 안의 변형이 심한 것이다. 변형이 심한 국부 영역의 파손 예측도 가능하다. 
 

3-2. 디지털 이미지 상관법 (DIC, Digital image correlation)

디지털 이미지 상관법은 분석할 타겟 샘플의 표면의 인위적인 점박이 패턴(speckle pattern) 또는 표면 자체에 남아있는 자연 패턴(natural pattern)의 변형 전/후 이미지를 촬영, DIC 소프트웨어가 변형 전/후 패턴을 추적하여 컬러 맵핑 결과를 보여준다. 그림 10은 전자 패키지의 노화(Aging) 테스트와 열 사이클 테스트 (TC testing, Thermal Cyclic testing)를 진행한 후 열 변형 거동을 나타낸 DIC 결과이다. 

그림 10에서 보는 바와 같이, 국부적인 열변형이 관찰 영역 안에서 뚜렷하게 확인됨으로써 열기계적 변형 거동을 시각적으로 이해하는데 도움을 준다. 


4. 결론

반도체 패키지 접속부의 높은 신뢰성을 확보하기 위해 패키지의 전체 영역과 국부 영역의 열변형 거동 분석, 파손 예측은 필수적이다. 전자 패키징 제품은 서로 다른 물성을 가진 재료들이 조립되어 구조를 이루기 때문에, 변형 거동이 복잡하고 예측한대로 진행되지 않는 경우가 더 많다. 복잡한 열 기계적 거동을 이해하기 위해 개발된 다양한 변형 측정 기술들은 구체적인 변형 정보들을 제공할 수 있을 것으로 기대한다. 


5. 참고 문헌

[1] Q. Guan et al, Effect of gamma irradiation on microstructural evolution and mechanical properties of Sn3Ag0.5Cu solder joints, Journal of Materials Research and Technology, 2023, 24, 6022-6033
[2] Subramanian et al, Characterization of Bulk and Thin Film Fracture in Electronic Packaging, Journal of Electronic Packaging, 2017, 139(2), 020912 
[3] 최광성 et al, 플립 칩 본딩 기술의 최신동향. 전자통신동향분석, 2013, 2013(10), 100-110 
[4] Tsutsumi et al, Bonding wire loop antenna built into standard BGA package for 60 GHz short-range wireless communication, 2011 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, 2011 
[5] Lall et al, Model for BGA and CSP reliability in automotive underhood applications, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2004, 27(3), 585-593
[6] Xu et al, Study on local recrystallization and damage mode of Lead-Free BGA solder joint, 2014 15th International Conference on Electronic Packaging Technology, 2014, p.356-359
[7] Depiver et al, Solder joints failure under thermo-mechanical loading conditions-A review, 2021, 7(1), 1-26 
[8] Ma et al, Effects of Board Design Variations on the Reliability of Lead-Free Solder Joints, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2012, 3(1), 71-78
[9] Bansal et al, A New Approach for Early Detection for PCB Pad Cratering Failures, IPC/APEX Conference, Las Vegas, NV. 2011 
[10] Sun et al, A review on warpage measurement metrologies for advanced electronic packaging, Microelectronics Reliability, 2024, 160, 115456
[11] Tsai et al, Thermally-Induced Deformations and Warpages of Flip-Chip and 2.5D IC Packages Measured by Strain Gauges, Materials, 2021, 14(13), 3723
[12] J. Joo, Thermo-mechanical behavior of ball grid packages with different solder ball grid patterns investigated through moiré interferometry, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 2024, 55(5), 598-609
[13] Lall et al, A Study on the Effect of Aging on Thermal Cycling Reliability of Sn-Ag-Cu Interconnects Using Digital Image Correlation, 2016 15th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm). IEEE, 2016