접착강도 측정 기반 패키지 신뢰성 평가방법
DC Field | Value | Language |
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dc.contributor.advisor | 장중순 | - |
dc.contributor.author | 송근호 | - |
dc.date.accessioned | 2018-11-08T08:11:33Z | - |
dc.date.available | 2018-11-08T08:11:33Z | - |
dc.date.issued | 2017-02 | - |
dc.identifier.other | 24218 | - |
dc.identifier.uri | https://dspace.ajou.ac.kr/handle/2018.oak/11463 | - |
dc.description | 학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :산업공학과,2017. 2 | - |
dc.description.abstract | 반도체IC의 고성능화/고용량화/소형화를 위해 패키지(Package) 기술을 통한 제품 고집적화가 부각되고 있다. 미세화 및 복합화로 칩을 적층하는 3D 패키지 구조로 발전되고 있다. 반면에 적층 패키지 의 신뢰성보증은 연속적인 칩 적층 하중과 열 경화 반복으로 제조 공정의 스트레스가 많고, 패키지가 더 얇아져 열, 충격, 진동, 정전기 등 사용시 패키지 스트레스가 더 많아졌다. 제품사용기간은 1~3년 으로 짧아 개발기간이 단축되고, 새로운 고장모드가 나타나고, 고장 메커니즘도 규명이 어렵고, 고집적 적층에 따른 신뢰성 시험이 오래 걸려 새로운 신뢰성 평가방법이 필요하다. 본 연구를 통하여 적층 구조와 제조공정, 소재 등 패키지 구성 요소 들의 상호작용으로 나타나는 다양한 스트레스요인을 분석하고 새로운 고장모드를 발굴하였다. 주요 고장인 박리, non-wet, 단락, ESD와 EMI 손상, 공정고장 등 새로운 고장모드에 대한 메커니즘을 규명하고 고장을 예방할 수 있는 방안을 제안하였다. 특히 적층에 따른 복합적인 고장모드를 규명하기위해 기존 신뢰성 시험 방법인 스트레스를 높여 강도를 넘어서는 시점의 고장율을 예측 하던 방법 대신에 패키지 고유의 접착강도를 나타내는 박리발생 온도를 직접 측정하여 패키지 접착강도로 나타내는 방법을 제안 하였다. 측정된 정량적인 접착 고장인 패키지 박리발생 온도(Ts) 값을 신뢰성 박리고장과 관계를 통계적 이항 로지스틱스 회귀분석 으로 분석하여 실제 신뢰성 박리고장과 상관이 있음을 알 수 있었고, 박리 발생온도 측정결과를 통계적 분석으로 신뢰성 고장율을 예측하였다. 또한 패키지가 열에 의해 받는 응력 시뮬레이션결과 박리 발생 온도(Ts)에서 나타나는 응력으로 산출 가능하였고, 상호 동일한 응력 값을 보여주었다. 이방법으로 적층 패키지개발시 신뢰성고장 발생율을 사전에 예측 하고, 제품구조, 소재변경, 공법개발에 대한 신뢰성수준을 정량적으로 예측 가능하게 되었다. 실제로 PCB 개발 과 제품개발에 적용한 사례를 보여주고 박리발생 온도만 측정으로 박리 고장율 예측 과 접착강도 신뢰성고장 개선이 가능함을 보여주었다. 본 연구를 통해 실제 패키지신뢰성 품질승인 및 양산 모니터링시 박리 온도를 측정하여 패키지 신뢰성수준을 예측하므로 제품개발단계에서 장시간의 신뢰성 평가, 판정, 신뢰성고장 개선을 간단하고 정확하게 정량적으로 신뢰성을 예측 가능하다. 향후 본연구의 방법론을 바탕으로 부품, 소재의 박리 온도 뿐 아니라 하중, 충격, 강도, 진동 등 기계 및 전기적 강도를 직접 측정하는 방법을 개발하여 신뢰성고장을 단기간에 예측하고 및 품질승인 단계 에서 신뢰성고장을 개선하는 연구가 필요하다. | - |
dc.description.tableofcontents | 목 차 표 목 차 그 림 목 차 국 문 요 약 제1장 서 론……………………………………………………… 1 1.1절 연구배경………………………………………………………1 1.1.1 반도체 IC 패키지 변화 ……………………………… 1 1.1.2 고집적 3D 적층화 …………………………………… 3 1.1.3 고 신뢰성 패키지 요구 ……………………………… 4 1.2절 연구 목적 …………………………………………………… 6 1.3절 연구 범위 및 내용 ……………………………………… 7 제 2 장 관련 연구 …………………………………………………… 9 2.1절 적층 패키지의 구조………………………………………… 9 2.2절 패키지 프로세스 ………………………………………… 12 2.2.1 웨이퍼 연삭 ………………………………………… 13 2.2.2 칩 절단 및 접착……………………………………… 14 2.2.3 와이어 본딩 ………………………………………… 16 2.2.4 몰딩 ………………………………………………… 17 2.3절 패키지 소재 ……………………………………………… 18 2.3.1 실리콘(Si) ………………………………………… 18 2.3.2 칩 접착제 …………………………………………… 19 2.3.3 칩 연결 와이어 ……………………………………… 20 2.3.4 에폭시 몰드 컴파운드 (EMC) …………………… 21 2.3.5 피시보드(PCB) …………………………………… 23 2.4절 패키지 강도 측정………………………………………… 24 2.4.1 칩 강도 측정 …………………………………………24 2.4.2 칩 접착 강도 측정 ………………………………… 25 2.4.3 와이어 강도 측정 …………………………………… 26 2.4.4 볼 접착강도 측정 …………………………………… 27 2.4.5 스트레스 기인 접착 고장 분석 …………………… 28 2.5절 적층 패키지 신뢰성……………………………………… 29 제 3 장 적층 패키지 고장모드 및 메커니즘………………… 34 3.1절 적층 패키지의 스트레스 유형 ………………………… 34 3.2절 적층 패키지의 스트레스 요인 ………………………… 37 3.2.1 칩 강도 (Chip Strength) ………………………… 37 3.2.2 칩 휨 (Chip Warpage) …………………………… 39 3.2.3 웨이퍼 연삭 휠 마크(Grinding Wheel Mark) … 42 3.2.4 칩 코너 가장자리 칩핑……………………………… 44 3.2.5 칩 크랙(Crack) …………………………………… 45 3.2.6 칩 본딩 스트레스 …………………………………… 46 3.2.7 와이어 본딩 스트레스 ……………………………… 47 3.2.8 몰드 플로우 및 공극 ……………………………… 49 3.2.9 패키지 경화 및 리플로우 ………………………… 50 3.3절 고장모드와 메커니즘 …………………………………… 51 3.3.1 박리 ………………………………………………… 52 3.3.2 Non-wet …………………………………………… 55 3.3.3 칩 크랙 ……………………………………………… 58 3.3.4 정전기 손상 ………………………………………… 60 3.3.5 전자기 간섭(EMI) 차폐 …………………………… 62 3.3.6 적층 공정 관련 기타 고장 ………………………… 63 3.4절 적층 패키지의 고장 예방 ……………………………… 64 제 4 장 적층 패키지 접착강도 와 박리발생온도(Ts) … 67 4.1절 패키지 접착강도 불량 박리 현상 ……………………… 67 4.2절 박리 발생온도(Ts) 메커니즘 ………………………… 71 4.3절 접착 면 공극률과 흡습 시간 영향 …………………… 75 4.3.1 접착 공극률에 따른 Ts 차이 ……………………… 75 4.3.2 수분 흡수시간 에 따른 Ts 차이…………………… 76 4.4절 Ts 측정 방법 …………………………………………… 77 4.4.1 패키지 온도 발생 시스템…………………………… 77 4.4.2 패키지 박리 온도 검출 측정 ……………………… 79 4.5절 Ts 측정 절차 …………………………………………… 83 제 5장 Ts 기반 적층 패키지 접착강도 신뢰성평가 … 84 5.1절 패키지 Ts 측정 과 신뢰성 시험 ……………………… 84 5.2절 Ts 온도 와 패키지 박리 연관성 ……………………… 86 5.3절 Ts 와 박리 고장의 통계적 분석 ……………………… 88 5.4절 Ts 와 박리 예측 및 해석 ……………………………… 90 5.5절 Ts 패키지 접착 강도 …………………………………… 92 5.5.1 Ts 측정 패키지 강도 실험 ………………………… 92 5.5.2 Ts 에 의한 패키지 강도 시뮬레이션 …………… 97 5.6절 접착 강도 측정 품질승인 사례 ………………………101 5.6.1 PCB 접착 강도 개선사례 …………………………101 5.6.2 패키지 개발 시 접착 강도 개선사례 …………… 103 제 6장 결 론………………………………………………………… 105 참 고 문 헌………………………………………………………… 107 Abstract………………………………………………………………116 표 목 차 <표 2.1> 적층형 패키지 와 일반 패키지 특징 비교 …………… 11 <표 2.2> 에폭시 몰딩 컴파운드 주요 기능 ……………………… 22 <표 2.3> 패키지 신뢰성 평가 기준………………………………… 32 <표 3.1> 적층형 IC 패키지의 스트레스 와 잠재 고장 분류 …… 36 <표 3.2> 적층형 IC 패키지의 스트레스 분류 …………………… 37 <표 3.3> 웨이퍼 휨 과 칩의 휨 관계 ……………………………… 41 <표 4.1> 패키지 온도 가열기 Setting 온도 와 실제 온도 차이 …78 <표 5.1> 패키지 공극 수준차이에 따른 Ts와 신뢰성시험 결과…85 <표 5.2> 반응 데이터 ……………………………………………… 88 <표 5.3> 통계 테이블 ……………………………………………… 88 <표 5.4> 모델링 결과 ……………………………………………… 89 <표 5.5> 모델 계수 ……………………………………………… 89 <표 5.6> 박리 승산비 ……………………………………………… 89 <표 5.7> 통계적 적합도 ………………………………………… 89 <표 5.8> 공극 크기에 따른 박리 발생시 온도 …………………… 94 <표 5.9> 85/85 20hrs신뢰성 평가결과(85/60 168hrs 가속조건) ………………………………………………………………………… 95 <표 5.10> PCB Cu 두께 와 층수에 따른 박리온도 차이……… 102 그 림 목 차 <그림 1.1> 반도체 IC 패키징 융복합 동향 …………………………2 <그림 1.2> 2D 패키지 에서 3D 패키지로 변화 ……………………3 <그림1.3> 고집적 적층 패키지 단면 구조 ……………………… 4 <그림 1.4 > 패키지 구조에 따른 신뢰성 수명 보증시간 ……… 5 <그림 2.1> 단칩 패키지 와 적층“시스템 인 패키지”구조 ……10 <그림 2.2> 반도체 IC 칩 적층 패키지 특성 …………………… 11 <그림 2.3> 2단 칩 적층 패키지 프로세스………………………… 12 <그림 2.4> 실리콘 웨이퍼 뒷면 연삭 프로세스 ………………… 13 <그림2.5> 웨이퍼 뒷면 연삭 방법 ……………………………… 13 <그림 2.6> 웨이퍼 절단 및 적층 공정 순서 ……………………… 14 <그림 2.7> 필름 형태의 칩 픽업 방법 …………………………… 15 <그림 2.8> 칩 접착제(DAF) 필름이 부착된 칩 ………………… 15 <그림 2.9> 와이어 본딩 순서 ……………………………………… 16 <그림 2.10> 칩 한 개 및 16개 와이어 본딩 …………………… 17 <그림 2.11> 칩 부착 및 와이어 본딩 된 기판 몰딩 순서 ……… 17 <그림 2.12> 2”~ 12”웨이퍼 크기 종류 ……………………… 18 <그림 2.13> 웨이퍼 Flat Zone 기준 실리콘 결정 방향………… 18 <그림 2.14> Ag-에폭시 칩 접착제 부착 형태 ………………… 19 <그림 2.15> 웨이퍼 접착필름 (Die Adhesive Film) 구조 … 20 <그림 2.16> 와이어 루프에 따른 스트레스 ……………………… 21 <그림 2.17> EMC의 필러 구성 분포 및 필러 모양 …………… 22 <그림 2.18> 3층 및 2층 PCB 구조 …………………………… 23 <그림 2.19> PCB 저온에서 고온까지 열팽창 시뮬레이션 …… 23 <그림 2.20> 3점 굽힘 칩 강도 테스트 ………………………… 24 <그림 2.21> 얇은 칩의 탄성계수 (Young’s Modulus) 특성 … 25 <그림 2.22> 칩 전단 강도 테스트 ………………………………… 26 <그림 2.23> 와이어 인장강도 테스트……………………………… 26 <그림 2.24> 와이어 볼 전단 강도 테스트 ………………………… 27 <그림 2.25> 솔더 볼 전단 및 인장 강도 테스트 ………………… 27 <그림 2.26> 패키지 박리 및 크랙 초음파 분석 ………………… 28 <그림 2.27> 적층 칩 와이어 단락(Short) X-Ray분석 ……… 29 <그림 2.28> Nonwet고장 X-Ray분석 및 단면비교…………… 29 <그림 2.29> 패키지 흡습 레벨 테스트 순서 ……………………… 30 <그림 2.30> 패키지 드롭 테스트…………………………………… 33 <그림 3.1> 포드사 FMEA 신뢰성 노이즈 분석에 따른 패키지분석 ………………………………………………………………………… 35 <그림 3.2> 얇은 두께 칩 강도 …………………………………… 38 <그림 3.3> 웨이퍼 격자구조에 따른 쪼개짐 방향 ……………… 39 <그림 3.4> 30, 80㎛ 두께 웨이퍼 웨이퍼 휨 …………………… 40 <그림 3.5> 칩 두께에 따른 휨……………………………………… 41 <그림 3.6> 온도에 따른 칩 휨 거동 ……………………………… 42 <그림 3.7> 웨이퍼 뒷면 연삭 방법 ……………………………… 43 <그림 3.8> 웨이퍼 뒷면 연삭 후 휠 마크 및 TEM 단면………… 43 <그림 3.9> 실리콘 결정 격자 {110}의 스트레스 취약 방향…… 44 <그림 3.10> 실리콘 결정 격자 {100}의 스트레스 취약 방향 … 44 <그림 3.11> 격자구조 {100}, {110}에 따른 칩 모퉁이 크랙 현상 ………………………………………………………………………… 45 <그림 3.12> 웨이퍼 절단 시 하중에 의한 크랙 현상 …………… 45 <그림 3.13> 레이저 그루빙(Grooving) 후 메탈 박리현상 …… 46 <그림 3.14> 칩 접착 하중 기인 공극 및 크랙 …………………… 46 <그림 3.15> Ag에폭시 칩 하부 공극 및 칩 접착불량(위) 과 필름 접착 DAF 접착 후 가열에 따른 공극 현상(아래) ………………… 47 <그림 3.16> 단칩 과 적층칩의 와이어 쓸림 …………………… 47 <그림 3.17> 적층 칩의 와이어 인장 강도 측정 어려움 ………… 48 <그림 3.18> 열 팽창에 의한 긴 와이어 끊김 현상 ……………… 48 <그림 3.19> 칩의 탄성강도 초과 본딩 시 칩 크랙 발생 ………… 49 <그림 3.20> 불균일 에폭시 몰드 컴파운드 흐름에 의한 공극 발생 ………………………………………………………………………… 49 <그림 3.21> 적층 패키지의 리플로우 횟수 증가 ………………… 50 <그림 3.22> 일반 패키지와 적층 패키지의 공극에 의한 박리 및 크랙 …………………………………………………………………… 51 <그림 3.23> IC 패키지 주요 고장 모드…………………………… 52 <그림 3.24> (A) 박리, (B) 칩 접착 필름 박리, (C) EMC내 공극 ………………………………………………………………………… 53 <그림 3.25> 적층 패키지 1차 칩 과 PCB사이 박리 …………… 53 <그림 3.26> 적층 패키지 박리 발생 메커니즘 …………………… 54 <그림 3.27> 플립칩 박리 현상 및 메커니즘 ……………………… 54 <그림 3.28> 휨(Warpage)으로 인한 Non-wet 고장……………55 <그림 3.29> 와이어 본딩 과 플립 칩 범퍼 본딩 ………………… 56 <그림 3.30> 플립 칩 Non-wet 고장……………………………… 56 <그림 3.31> 플립 칩 범퍼 X-ray 검사…………………………… 57 <그림 3.32> 칩 크기 차이 및 EMC 공극 에 따른 상부 칩 크랙 현상 ………………………………………………………………………… 58 <그림 3.33> 칩 범퍼 하부 메탈 박리 …………………………… 59 <그림 3.34> 범퍼 내 공극에 의한 범퍼 떨어짐 ………………… 60 <그림 3.35> 칩 코너 부위 외부 인가 정전기 손상 ……………… 61 <그림 3.36> 적층 된 옆의 칩에 의한 정전기 손상 현상 ………… 61 <그림 3.37> EMI에 의한 노이즈 발생원리 및 방지를 위한 차폐 ……………………………………………………………………………62 <그림 3.38> 반도체 IC의 EMI 차폐적용 특성 비교 …………… 62 <그림 3.39> EMI 차폐 방법………………………………………… 63 <그림 3.40> 적층 패키지의 공정 관련 고장……………………… 64 <그림 3.41> FBGA 휨으로 패키지-온-패키지(POP)적층 Non-wet과 범프short 동시 발생 현상 ………………………………… 65 <그림 3.42> 범퍼 Non-wet 과 단락 시뮬레이션 및 고장율 예측 ………………………………………………………………………… 66 <그림 4.1> 패키지 종류별 박리가 발생 온도(Ts) …………… 68 <그림 4.2> FBGA A 단면 분석 결과 PCB 와 DAF 미세 갭 FIB분석 ………………………………………………………………………… 69 <그림 4.3> FCBFA의 정상 패키지 의 박리온도 차이 비교 … 70 <그림 4.4> FCBFA의 정상 패키지(A) 와 고장패키지(B) 박리 온도 차이 비교 ………………………………………………………70 <그림 4.5> 박리발생 온도에 따른 증기압 ……………………… 74 <그림 4.6> 접착 면 공극률에 따른 박리발생 온도차이 ………… 75 <그림 4.7> 85/85 RH 조건에서 흡습 시간에 따른 박리발생온도 (Ts) ……………………………………………………………………76 <그림 4.8> 박리발생온도(Ts) 실시간 측정 시스템 …………… 77 <그림 4.9> 패키지 가열 시스템 …………………………………… 78 <그림 4.10> 시간에 따른 온도 가열 그래프 …………………… 79 <그림 4.11> 실시간 가열 온도 측정 계측기 …………………… 79 <그림 4.12> 비 접촉 적외선 온도 측정기 ARCO사 AR-350+ ………………………………………………………………………… 80 <그림 4.13> 적외선 온도 측정기로 측정한 박리 발생 온도 …… 80 <그림 4.14> FBGA C의 12.7s에서 박리 발생된 음파측정 ……81 <그림 4.15> 레이저 변위센서로 측정한 박리 발생시점과 발생된 변위 ………………………………………………………………… 82 <그림 4.16> 초음파 검사 방법 …………………………………… 82 <그림 5.1> 공극 크기에 따른 신뢰성시험 결과 패키지 T-Scan 초음파 박리 검사 결과 ……………………………………………… 86 <그림 5.2 > Ts 에 따른 박리 발생 확률 이항 로지스틱 회귀 그래프 ………………………………………………………………………… 90 <그림 5.3 > 박리 온도 Ts 에 따른 신뢰성 수명예측 ………… 91 <그림 5.4> 박리온도 와 응력 평가 패키지 구조 ………………… 92 <그림 5.5> 박리온도 와 응력 평가 내부 적층 구조……………… 93 <그림 5.6> 공극 면적에 따른 박리 발생 온도 그래프…………… 96 <그림 5.7> 박리 온도에 따른 신뢰성 박리 고장율 ……………… 96 <그림 5.8> 박리온도에 의한 응력 시뮬레이션 패키지 구조 ……97 <그림 5.9> 공극 이 없는 경우 Ts 300℃ 경우 응력분포 ……… 98 <그림 5.10> Ts 300℃ 에서 공극 크기에 따른 열응력분포 ……98 <그림 5.11> Ts 300℃ 에서 공극 크기에 따른 증기압 분포…… 99 <그림 5.12> Ts 300℃ 에서 공극 크기에 따른 전체 응력 분포…99 <그림 5.13> 온도상승에 따른 총 응력 분포 와 응력 값 126.8MPa 에 상응하는 공극 크기 별 박리 온도 …………………………… 100 <그림 5.14> Cu 두께 와 경화 공법에 따른 박리온도 차이 …… 102 <그림 5.15> Cu 두께에 따른 몰드 후 기공 잔류여부 시뮬레이션 ………………………………………………………………………… 102 <그림 5.16> 8단 적층 패키지 박리고장 C-SAM 및 단면 분석 결과 ………………………………………………………………… 103 <그림 5.17> 8단 적층 패키지 정상, 고장, 개선 로트 Ts 분포 ………………………………………………………………………… 104 | - |
dc.language.iso | kor | - |
dc.publisher | The Graduate School, Ajou University | - |
dc.rights | 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다. | - |
dc.title | 접착강도 측정 기반 패키지 신뢰성 평가방법 | - |
dc.type | Thesis | - |
dc.contributor.affiliation | 아주대학교 일반대학원 | - |
dc.contributor.department | 일반대학원 산업공학과 | - |
dc.date.awarded | 2017. 2 | - |
dc.description.degree | Doctoral | - |
dc.identifier.localId | 770732 | - |
dc.identifier.url | http://dcoll.ajou.ac.kr:9080/dcollection/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000024218 | - |
dc.subject.keyword | Package | - |
dc.subject.keyword | Ts | - |
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