전자부품용 금속재료 (1) 패키징 기술 및 금속재료

 웨이퍼 한장에는 동일한 전기회로가 인쇄된 칩이 수십개 ~ 수백개 임. 미세한 회를 담고 있기 때문에 외부의 충격에 쉽게 손상되므로 이를 보호하고 외부로부터 전기를 공급받아 전기신호를 전달하는 공정이 필요함  “ 패키징 (Packaging)”  반도체 패키지의 구성  칩 (chip)  리드프레임 (lead frame) ( 또는 BGA)  칩과 패키지의 연결 (chip to package interconnection) 칩 칩과 패키지 연결 리드프레임

 종류 : 리드 ( 전기 신호를 전송하는 통로 ) 수에 따라 패키지 이름을 지정  한쪽 모서리를 따라 리드를 배열 SIP (Single Inline Package),  양쪽 모서리를 따라 리드를 배열 DIP (Dual Inline Package),  네 모서리를 따라 리드를 배열 QFP (Quad Flat Package)  바닥면에 바둑알 놓듯이 둥글 볼 형태의 리드를 배열  BGA (Ball Grid Array)  단위 면적당 실장 효율을 높이기 위해 칩 크기와 거의 같은 크기의 패키지  CSP (Chip Size Package)  칩 위에 칩을 올려 쌓아 올리거나 기능이 다른 여러 개의 반도체 칩을 하나의 패키지 안에 배열  MCM (Multi Chip Module) [DIP] [QFP] [BGA]

CSP (Chip Size Package) MCM (Multi Chip Module) - 평면배열 - 수직배열 경박단소 ( 輕薄短小 ) 화 기술

패키징 공정상에서 웨이퍼를 다루기 좋도록 테이프를 이용해 금속프레임에 웨이퍼를 고 정시키는 공정 웨이퍼를 다이아몬드로 코팅된 휠로 몇 개의 다이 (die) 로 절단시키는 공정 접착제를 사용하여 다이 (die) 를 리드프레임이 나 PCB 혹은 circuit tape 에 부착시키는 공정 다이의 전기접점 (bonding pad) 과 리드프레임, PCB, 회로판 등과 연결하는 공정 Interconnection 이 완료된 자재를 금형에 넣고 겔 (gel) 화 시킨 EMC (Epoxy Molding Compound) 를 금형 틀 내로 주입 · 봉합하여 자재를 부식, 외부충격 및 접촉으로부터 보호하고 외형을 갖는 형태로 만드는 공정 패키지표면에 인식할 수 있도록 글자나 도안을 새기는 공정

리드프레임의 타이 바 (tie bar) 를 제거시켜주 는 공정 리드프레임 기반의 패키지에 대해서 몰딩된 패키지 몸체 밖으로 나온 리드부분을 전기화학 도금하는 공 정. 도금을 하는 이유는 리드가 납땜이 가능하도록 하 고, 리드부분의 부식을 막는 것, 그리고 외관을 미려 하게 함 리드프레임 기반의 패키지의 외형 규격을 만드는 최종공정으로, 패키지 밖으로 나온 외부 리드의 형태를 JEDEC 규격에 맞추어 굽혀주는 공정 Gull form J form

리드프레임 및 재료 [ 요구 특성 ] 높은 강도, 전기전도도, 열전도도 생산성 ( 가공, 에칭 ) [ 제조공정 ] 1. 성형공정 에칭법 : 에칭을 하여 리프프레임을 성형 패턴  PR 도포  에칭  PR 제거 스탬핑법 : 금형을 제작하여 고속 프레스로 스탬핑하여 성형 2. 도금 공정 : 내부 리드부에 부분적으로 은을 사용하여 도금 [ 합금성분 ] 철계 (alloy42) 또는 구리계의 합금을 사용 첨가된 원소들은 석출경화를 통해 합금의 강도를 증가시킴 리드프레임은 반도체 패키지의 내부와 외부를 연결해 주는 전기도선의 역할과 반도체 를 지지해 주는 버팀대의 역할을 하는 반도체의 핵심 부품

에칭법

솔더 (solder) 재료 솔더링 (soldering) : 액체 상태의 솔더 재료가 접합하고자 하는 두 재료 사이에서 응고 함으로써 두 재료를 접합하는 방법 [ 요구 특성 ] 적절한 허용온도 범위 ( 용융점 ), 기계적 접합강도, 계면의 부식 및 산화 저항성 [ 합금 종류 ] Sn-Pb37% 환경오염 [Leadless solder ( 무연솔더 )] Sn-3.5%Ag-0.75%C Sn-3.5%Ag-4.8%Bi Sn-0.7%Cu Sn-Pb 상태도 무연솔더합금의 용융점

패키징에서 솔더 (solder) 볼이 위치하는 곳

[ 솔더접합부 계면 특성 ] 미세조직 : 금속하지층 (Under Bump Metallization) 과 반응하여 금속간 화합물을 형성함. 솔더의 퍼짐성 개선, 부식방지 Cu 와 솔더 (Sn) 의 급속한 반응  계면에서 금속간화합물 생성 ( 취성이 높음 ) 금속간화합물 - 화합물의 성분비가 정확한 구성 비를 가지며 용해도가 거의 없음

솔더 접합부의 대표적인 금속간화합물들 Cu 6 Sn 5, Ni 3 Sn 4, Ni 3 Sn 2, Cu 3 Sn, Au 3 Sn

[ 솔더링 공정기술 ] 용융방법 : 전도, 적외선, 기체상, 고온가스, 대류, 레이저등. 공정 플럭스 (flux) 세척 ( 금속, 비금속화합물과 반응하여 표면세척 )  솔더볼 또는 솔더의 스크린프린팅  예열 ( o C, 1~2 분 )  용융온도 가열 (Sn-Pb :200 o C)

칩과 패키지의 접속 [ 접속 종류 ] 1) 와이어 본딩 (Wire Bonding) 2) TAB 본딩 (Tape Automated Bonding) 3) 플립칩 (Flip chip Bonding) 1) 와이어 본딩 (Wire Bonding) 반경이 매우 작은 금속선을 사용하여 칩과 패키지를 연결 오래된 기술이나 신뢰성이 높음 ( 낮은 불량률 ) I/O 의 수에 제한이 있음 와이어 재료로는 Au 또는 Al 이 사용됨

와이어 본딩 공정 Capillary 의 가열로 인해 와이어의 끝이 구형의 볼 모양으로 형성됨 압착시킨 상태에서 열이나 초음파의 작용으로 접합 접합 후 화염으로 절단 [ 칩과 리드프레임의 연결 ] [ 압착전 ][ 압착후 ] ①볼 본딩 공정

②웨지 (Wedge) 본딩 공정 와이어가 기울어진 상태로 공급되어 접합 와이어 재료가 산화물을 형성하거나 합금인 경우에도 접합가능  알루미늄 와이어 용

High loop wire for normal PKG Soft wire with large grain size Low loop wire for thin PKG Formation of stable loop height by controlling ball neck grain Middle loop wire for long span PKG Stable bondability and loop shape Better toughness and higher yield strength than M and L type 1% Pd Alloy High strength wire for special PKG Excellent mechanical property and thermal stability Ultra low loop wire for thin PKG Formation of stable low loop by strengthening on the ball neck 4N high strength wire developed for fine pad pitch and super long loop Excellent resistance to mold sweeping Formation of stable and small squashed ball Super low loop wire High resistance for ball neck damage Applied to CSP, MCM, TSOP, Stacked Die PKG High reliability wire Suitable for all fine pad pitch PKG's high reliability requirement The first 4N reliability wire Universal wire - hig reliability + low loop + high strength 와이어 타입

2) TAB 본딩 (Tape Automated Bonding) 폴리머 테입위에 배선을 패턴 함. 테이프 위의 배선과 칩의 접합부를 일치시킴. Thermode 가 가압하여 연결

3) 플립칩 (Flip chip Bonding) BGA 와 유사하게 솔더합금을 이용해 칩과 패키지를 접속하는 기술 ①전해 도금법 웨이퍼의 금속하지층 (UBM) 위에 PR 도포 후, 마스크를 씌워 노광  에칭으로 홀을 만듬. 솔더금속을 도금함. PR 층 제거 후, 180 o C 이상의 오븐에서 리플로우 (reflow)

② Super-Juffit 법 다양한 종류의 솔더에 적용가능함. 피치간격이 좁은 작은 크기의 솔더 범프를 제조할 수 있음. 방법 : PCB 기판 노출  화학약품에 담금  점착성이 강한 층이 얇게 형성 됨  분말 솔더를 뿌려주면, 금속패드에만 솔더 분말이 붙음  리플로 우를 통해 용융 응고시킴

③ Micro Punching 법 PCB 위에 플럭스 코팅  마이크로 펀칭 장비를 이용하여 솔더 테입 으로 부터 다이에 뚫린 구멍을 통해 솔더 디스크를 플럭스위에 위치 시킴  솔더를 리플로우 시켜 솔더 범퍼를 만들어 줌 공정의 단순화가 가능  생산속도 증가

Report : 패키징, 리드프레임, 솔더 관련 업체를 조사하고, 이들 회사의 주요 사업목표, 제품 동향에 대해 보고서를 제출하시오.