유한 요소 모델링(FEM)은 높은 응력(Stress) 영역을 식별하고 장기적인 신뢰성 문제에 대한 솔루션을 식별할 수 있는 주요 기법이다. FEM을 사용하여 히트 스프레더/스티프너 부착 접착제와 열 인터페이스 재료(TIM)를 다르게 구성한 두 가지 다른 재료의 조합이 연구되었다. FEM 예측과 관찰된 고장 모드를 통해 온도 주기 신뢰성 결과가 제시되고 입증되었다.
글│Anurag Bansal, Yuan Li & Don Fritz, 알테라 코퍼레이션
이 글에서는 히트 스프레더가 내장된 다층 유기 구성 기판을 사용하는 미세 피치 플립칩 BGA 패키지의 열 피로 신뢰성을 중점적으로 논의한다. 고밀도 FPGA 소자의 경우, 다이 크기와 패키지 풋프린트가 일반적인 산업 표준보다 크기 때문에 부품 레벨 온도 주기 조건 B(-55℃~+125℃) 신뢰성 요구조건을 만족시켜야 하는 중요한 문제가 제기된다.
유한 요소 모델링(FEM)은 높은 응력(Stress) 영역을 식별하고 장기적인 신뢰성 문제에 대한 솔루션을 식별할 수 있는 주요 기법이다. FEM을 사용하여 히트 스프레더/스티프너 부착 접착제와 열 인터페이스 재료(TIM)를 다르게 구성한 두 가지 다른 재료의 조합이 연구되었다. 두 재료 세트에 대해 모두 온도 주기 시험이 수행되었다.
이 연구의 이차 목표는 기판 랜드 패드 지오메트리와 습기 프리컨디셔닝의 효과를 평가하는 것이었다. 온도 주기 시험 로트(Lot)는 SMD와 NSMD 패드 두 가지를 모두 사용하여 생성되었으며, 시험 로트는 두 가지 다른 레벨의 습기 프리컨디셔닝(JEDEC 레벨 3과 4)을 거쳤다. FEM 예측과 관찰된 고장 모드를 통해 온도 주기 신뢰성 결과가 제시되고 입증되었다.
적절한 패키징 소자의 선택
다층 유기 구성 기판을 사용하는 미세 플립칩 BGA는 초고밀도 프로그래머블 로직 소자에서 현재 채택되고 있는 패키징 기술이다. 패키지 구성은 휨 제어를 위한 스티프너, 효과적 열 소산 경로 생성을 위한 히트 스프레더를 포함한다. 이 소자들은 제어되는 일반 사무실 환경 외에도, 광범위한 온도 변화가 예상되는 환경을 제어할 수 없는 산업용, 군사용 및 항공전자 애플리케이션에도 널리 사용되고 있다.
이러한 애플리케이션에 기대되는 제품 수명은 종종 10년 이상이며, 때로는 20년까지 요구되기도 한다. 매우 큰 다이 크기(19mm~24mm 에지)를 갖는 대형 풋프린트 플립칩 소자(현재 27mm~40mm)의 부품 레벨 열 피로 신뢰성을 구축하기 위해서는 산업용 온도 환경에 대한 중요한 문제를 만족시켜야 하는 문제가 제기된다.
적절한 패키징 소자의 선택이 고장 모드와 전체 신뢰도에 중요한 영향을 미친다는 사실은 잘 알려져 있다. 재료의 선택, 완충재와 다이 패시베이션, 솔더 플럭스, UBM, 기판 솔더 마스크 재료 간의 비양립성으로 인해 발생되는 불량 유형에 대한 자세한 평가 과정의 필요성은 잘 설명되어 있다.
연구에서 설명된 플립칩 패키지는 기판의 주변기기에 부착되는 스티프너와 TIM을 통해 다이의 뒷면에 부착되는 히트 스프레더가 있다. 패키지 구조는 그림 1에 나와 있다. 패키지는 기판면에 공융(Eutectic) Sn/Pb 솔더 볼과 주조한 공융 솔더가있는 납 함유율이 높은(High-Pb) 솔더 범프를 사용한다. 6 레이어 유기 기판은 2개의 구성(Built -Up) 레이어와 어느 한 쪽에 솔더 마스크가 있는 1.0mm 두께의 BT 코어로 구성된다. 기판은 ENIG(Electroless Ni/immersion Au) 마감재를 사용한 구리 패드로 구성된다. [1]
이러한 패키지 개발을 위해 신뢰성 문제를 이해하고 솔루션을 식별하기 위한 유용한 툴로서 유한 요소 분석이 광범위하게 사용되었다. 2차 레벨 솔더 접합 신뢰성을 향상시키기 위해 실험 데이터를 사용하여 고도로 정밀한 모델링 기법이 개발되고 검증되었다. [2, 3] 부품 풋프린트가 크기 때문에 히트 스프레더와 스티프너 설계를 최적화함으로써 실온에서의 휨을 최소화하였다.
이러한 작업을 수행하고 지속적인 공정 향상을 도모한 결과, 완충재, UBM, 솔더 플럭스, 다이 패시베이션과 관련된 신뢰성 고장이 제거되었다. 그러나, 부품 레벨 온도 주기 고장 모드가 기판으로 이동되었다. 기판 구성 레이어 외에도, 솔더 마스크 재료, 랜드 패드 지오메트리, TIM, 히트 스프레더/스티프너 접착제는 이러한 고장에 강력한 영향을 미친다. 더욱이, 유기 패키지의 경우 습도 또는 `플로어 라이프`에 대한 수용 가능한 노출 결정은 제조 용이성과 신뢰성에 영향을 미치는 주요 변수이다. [4]
이 글은 패키지 BOM, 기판 랜드 패드 지오메트리, 습도 레벨이 고장 모드와 온도 주기 신뢰성(JEDEC 조건 B, -55℃~+125℃)에 미치는 영향을 평가하기 위한 실험 연구의 설계를 중점적으로 살펴본다. 패키지 BOM의 변수는 히트 싱크/스티프너 부착 에폭시와 TIM이었다. 다른 표준화된 패키지 신뢰성 응력과 비교한 결과 앞서 수행된 시험은 온도 주기가 향상된 재료 세트를 얻는데 가장 핵심적인 요소임을 보여주었다.
유한 요소 분석을 사용하여 두 가지 다른 BOM(이후 BOM-1과 BOM-2으로 표시)을 평가하였다. 또한 BOM-1과 BOM-2를 사용하여 조립된 분할된 로트에 대해 온도 주기 시험이 수행되었다. 내부 범프 랜드 패드는 SMD 또는 NSMD였다. 외부 솔더 볼 면의 패드는 SMD였다. 테스트 비이클은 피치가 1.0mm인 33mm 평방 1020볼 플립칩 BGA 패키지였다. 0.18um SRAM 기술을 이용해 19.9mm x 22.7mm 다이가 제조되었다.
유한 요소 모델링
분석을 위해 ANSYS 유한 요소 소프트웨어가 사용되었다. 패키지는 대칭되므로 패키지의 1/4만 모델링 되었다. 모델은 그림 2와 같이 8노드 3D 브릭 요소를 사용하였다. 대칭 경계 조건이 X=0 및 Y=0에서 표면에 적용되었다. 
원점(X=0, Y=0, Z=0)에서 노드를 고정하여 딱딱한 본체가 자유롭게 움직이지 못하도록 했다. 응력 없는 기준 온도로 150℃의 완충재 보정 온도가 지정되었다. 대부분의 완충재, 접착제, TIM의 유리 천이 온도 Tg가 150℃ 미만이므로, 지정된 재료 특성은 Tg 미만에서의 특성 변화를 포함하였다. 이러한 재료에 대한 영률과 CTE는 온도와 Tg에 따라 매우 달라진다.
두 BOM의 주요 차이는 TIM이다. BOM-1은 최소 접착제의 실리콘 기반 TIM을 사용한 반면 BOM-2는 다이와 히트 스프레더 간에 강력한 접착을 제공하는 TIM을 사용했다. 또 다른 차이는 스티프너에 연결되는 히트 스프레더와 기판 인터페이스에 연결되는 스티프너에 사용된 접착제이다. 표 1은 -55℃에서 기판과 완충재에서 예측되는 최대 응력을 보여준다. 모델은 BOM-2의 경우 기판과 완충재에서 매우 낮은 응력을 예측했다. 그림 3~그림 6에서 응력 등고선 그래프를 볼 수 있다. 
온도 주기 시험
시험 부품은 표 2에 보이는 BOM-1과 BOM-2를 사용하여 조립되었다. SMD과 NSMD 랜드 패드 지오메트리(내부 범프 면)를 사용한 기판은 동시에 생성되었다. 히트 스프레더/스티프너 부착 접착제와 TIM과 관련된 공정을 제외하면 부품도 동시에 조립되었다. 신뢰성 시험을 거친 후 시험 로트는 더 분할하여 JEDEC 레벨 3(30℃, 60%RH, 192Hrs) 및 4(30℃, 60%RH, 96Hrs)에 따라 습기 흡수 검사가 수행되었다.
습기 흡수 검사 후 소자는 최대 온도 220℃에서 3주기의 대류 리플로우를 거치고 완전한 기능에 대해 전기적 시험을 받았다. 리플로우 주기 후 발생된 고장은 없었다. 그런 다음 로트에 대해 JEDEC 조건 B(-55℃~+125℃)에 따라 듀얼 챔버 시스템을 사용하여 대기 온도 시험을 수행했다.
소자는 100, 500, 1000주기 후 완전한 기능에 대해 전기적 시험이 수행되었다. 1000주기 이상에서 고장을 보이기 시작한 로트에 대해서는 200주기 간격으로 시험을 수행했으며, 고장이 없는 로트에 대해서는 500주기 간격으로 시험을 수행했다. 시험은 2500주기 후 종료되었다. 고장 메커니즘을 결정하기 위해 고장 분석이 수행되었다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 9월호>