글│Anurag Bansal, Yuan Li & Don Fritz, 알테라 코퍼레이션
시험 결과
모든 부품 고장은 전기적 개방으로 인해 발생했다. TDR과 이후의 물리적 고장 분석에 의하면 고장은 기판에 위치해 있는 것으로 나타났다. BOM-1과 BOM-2에서 관찰된 고장 모드는 아래에 요약되어 있다.
BOM-1
첫 번째 기판 고장은 500주기 판독에서 나타났다. TDR 파형에 대한 이전 경험을 바탕으로 알려진 우수한 기준 파형과 비교한 결과 고장은 기판의 상단 레이어 또는 내부 플립칩 범프에 가장 가까운 레이어 1에 위치해 있는 것으로 판단되었다. 기판이 외부 솔더 볼 면으로부터 떨어져 겹쳐친 곳에서 물리적 고장 분석이 수행되었으며, 기판의 모든 레이어에서 오픈 네트에 연결되는 트레이스가 검사되었다.
고장은 레이어 1 트레이스의 균열로 인한 것으로 확인되었다. 이러한 트레이스는 스티프너 접착제(재료 A) 아래 위치해 있었다. 접착제 비드의 폭이 정격보다 더 좁아 더 높은 응력 집중을 일으키는 영역에서 더 높은 균열 경향이 관찰되었다. 균열된 접착제 비드의 에지에서 솔더 마스크는 레이어 1 트레이스를 균열시킬 만큼 충분히 깊었다. 아래 그림 7을 참조한다.
1000주기 후, 주요 고장 모드는 여전히 기판에서의 오픈이었다. TDR과 이후의 물리적 고장 분석은 부품의 대부분이 기판의 하단 레이어 또는 레이어 5에서 고장이 발생했다는 것을 보여주었다. 그러나, 일부 부품은 앞에서 설명한 바와 같이 기판 레이어 1 트레이스에서 계속 실패했다. 레이어 5 균열은 저배율의 광학 현미경을 사용하여 관찰할 수 있다.
균열은 대부분 기판의 에지로부터 솔더 볼의 3번째와 7번째 행(Row) 사이에서, 그리고 다이의 더 짧은 에지와 평행하여 발생했다. 예상대로 긴 레이어 5 트레이스로 라우팅된 IO 핀은 더 높은 레이어 5 균열을 보여주었다. 그림 8은 전형적인 레이어 5 기판 트레이스 균열을 보여준다. 그림 9는 최대 1500주기에서 나타나는 BOM-1 고장 모드 퍼센트 분포를 보여준다.
BOM-2
BOM-2를 사용하여 조립된 부품 중에서 첫 번째 고장은 1500주기 판독에서 나타났다. BOM-1의 고장 모드와 마찬가지로 고장은 기판 레이어 5 트레이스 균열로 인한 것이었다. 그림 10과 그림 11을 참조한다. 그림 12는 BOM-2에서 최대 1500주기에서 볼 수 있는 고장 모드의 퍼센트 분포를 보여준다. BOM-1에 비해 고장율이 현저히 향상되었다는 것을 분명히 알 수 있다. 고장률 분포를 정확히 결정하기 위해 BOM -2 시험을 2500주기까지 계속 수행했으며 약 50% 고장율이 달성되었다.
논의
그림 13은 BOM-1과 BOM-2에 대해 예측된 두 파라미터 Weibull 고장률 분포를 보여준다.
유한 요소 분석에 따르면 기판의 응력 분포가 BOM-1에 비해 BOM-2에서 현저히 낮다는 것을 보여준다. 주요 고장 모드는 기판 레이어 1과 레이어 5 트레이스에서 발생했으므로 BOM-2에서 관찰된 고장율은 대폭 감소되었다. Weibull 그래프에 의해 예측된 0.1% 고장 포인트는 BOM-1의 경우 386주기였고 BOM-2에서는 1105주기였다. 스티프너와 기판 인터페이스 사이의 접착제 비드에서 발생한 기판 레이어 1 트레이스 균열 고장 메커니즘은 BOM-2에서는 실질적으로 제거되었다.
BOM-1에 사용된 접착제는 솔더 마스크에 강력한 접착 강도를 가지므로 접착제 비드의 에지 바로 아래의 기판 트레이스에서 응력 집중을 초래했다. BOM-1에서 보이는 두 번째 고장 모드는 기판 레이어 5 트레이스 균열이었다. 1000주기 후 첫 번째 고장이 발생이 발생함으로써 BOM-2에서 기판의 감소된 전체 응력은 이러한 고장 모드를 상당히 지연시켰다.
기판 레이어 5 트레이스 균열은 다이의 짧은 에지와 평행한 기판 에지로부터 솔더 볼의 3번째와 7번째 행 사이에서 발생한 것으로 나타났다. 이 영역은 다이 에지와 스티프너 에지의 위치로 인해 균열에 가장 취약한 것으로 나타났다. 그림 10과 11은 균열이 기판 코어에서 PTH 비아와 인접하여 발생하였으며 에폭시 구성 레이어를 통해 확산되어 트레이스 균열을 초래했다는 것을 보여준다.
최근 Dearce 등에 의해 4 레이어 유기 라미네이트 기판에서 유사한 고장 모드가 보고되었다. [5] 이 논문에서, 온도 주기 시험에서 유도된 균열은 다른 지오메트리를 갖지만, 또한 코어의 PTH 비아에서 시작되었다는 것을 보여준다. 저자는 z 방향에서 도금된 구리 비아 월과 기판 BT 코어 간에 열 확장계수(CTE)가 크게 다른 데서 과도한 응력이 발생하고 균열이 시작한다는 결론을 내렸다.
이것은 충분히 이 연구에서 관찰된 기판 레이어 5 트레이스 균열의 원인이 될 수 있다. 보다 낮은 CTE PTH 비아 충진(Fill) 재료를 사용할 경우 z 방향에서 BT 코어의 CTE를 낮출 수 있다. 현재 BOM-1을 사용한 표준 기판에서 낮은 CTE 비아 기판을 갖는 소량의 분할 로트에 대한 평가가 진행 중이다. 지금 이러한 분석이 계속 진행되고 있으며 향후 다른 곳에서 발표될 것이다.
지금까지 BOM-1과 BOM-2를 비교하기 위해 보고된 결과는 SMD와 NSMD 기판을 모두 포함한 추가적인 분할된 로트로부터 얻은 데이터를 포함하고 있으며, 소자는 JEDEC 레벨 3과 4에 따른 습기 프리컨디셔닝을 거쳤다. SMD와 NSMD 기판 성능을 비교할 수 있도록 그림 14는 BOM-1에 대한 2개 파라미터 Weibull 고장율 분포를 보여주고 있으며 SMD와 NSMD 기판을 각각 표시하고 있다.
BOM-2의 경우 차이는 크지 않았지만 SMD 기판은 두 BOM에서 모두 NSMD 기판보다 나은 성능을 보여주었다. 이전에는 유기 SMD 기판에 대한 향상된 온도 주기 신뢰성이 보고되었으며, 이 경우 고장 모드가 NSMD 패드에서 발생된 트레이스 균열과 관련되었다고 판단되었다. [1] 그러나, 이 연구에서는 기판 레이어 1과 레이어 5 트레이스 균열 메커니즘이 패드 지오메트리에 의해 직접적인 영향을 받지 않았으며, 따라서 현재 SMD 기판에서 나타나는 향상된 신뢰성의 원인이 명확하지 않으므로 추가적인 조사가 필요하다고 보고 있다.
습기 프리컨디셔닝과 관련하여 BOM-1과 BOM-2에서 얻은 데이터는 레벨 3과 4 프리컨디셔닝을 거친 로트의 온도 주기 신뢰성에서 측정 가능한 차이를 보이지 않았다. 이것은 기판에 나타나는 고장 모드가 습기 컨텐트와 관련이 없는 것이 분명하기 때문으로 추정된다.
결론
유한 요소 분석은 패키지에서 높은 응력 영역을 식별하고 향상된 장기 신뢰성을 갖는 보다 견고한 패키지를 개발할 수 있는 유용한 툴이다. 대형 다이 플립칩 패키지의 부품 레벨 온도 주기 조건 B 신뢰성을 향상시키는 구체적 목적을 가지고 두 가지 다른 BOM이 평가되었다. 모델링은 BOM-1에서 높은 기판 응력을 보여주었으며 BOM-2에서 응력의 현저한 감소를 예측했다.
온도 주기 시험은 두 BOM에서 모두 주요한 고장 모드는 기판에 존재한다는 것을 보여주었다. 온도 주기 신뢰성은 BOM-2에서 현저히 향상되었다. BOM-2는 BOM-1에 비해 초기 기판 고장 모드가 제거되었으며, 이후 고장 모드가 지연되었으며, 훨씬 더 낮은 고장율을 보여주었다.
선택된 33mm 평방 테스트 비이클 외에도, 이후 최대 40mm 평방 본체 크기를 갖는 대형 패키지에서 향상된 신뢰성이 검증되었다. 두 재료 조합에서 모두 SMD 범프 패드 지오메트리는 NSMD에 비해 일부 신뢰성 향상을 보여주었다. JEDEC 레벨 3과 4에 따른 습기 레벨 프리컨디셔닝은 측정 가능한 효과가 없었다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 11월호>