반도체 패키지 제조 공정 (4): 솔더 볼 마운트 (Solder Ball Mount) 공정

제가 제일 좋아하는 패키지 공정 중 하나인 soldering 공정에 대해서 설명드리도록 하겠습니다.

 

 

솔더 볼 마운트 (Solder Ball Mount, SBM)

 Solder ball mount 공정은 반도체 기판의 solder ball pad에 flux를 도포 후 solder ball을 부착하여 reflow 공정을 통해 solder ball과 반도체 기판의 solder ball pad 간의 합금이 이루어지게 하는 공정입니다.

 

SBM 공정은 크게 Ball mount > Reflow > Flux Cleaning 순으로 진행됩니다.

 

1. Solder Ball Mount 공정
   - Soldering을 위해 Flux를 solder ball pad에 도포하고 solder ball을 부착하며 품질을 확인하는 공정입니다.
   - Flux 도포량, solder ball 부착 위치 등이 주요 관리 포인트입니다.
2. Reflow 공정
   - Solder ball과 부착된 반도체 기판에 온도를 가하여 기판과의 joint를 형성하는, 즉 soldering이 이루어지는 공정입니다.
   - solder joint의 신뢰성은 reflow profile (온도 곡선)에 의해 결정되며 reflow zone별 온도 및 시간을 제어하는 것이 중요합니다.
   - Reflow zone: Ramp up > pre-dwell > dwell > peak temp > cooling
   - pre-dwell 구간에서는 flux의 유기 용제 성분을 휘발시켜 flux의 활성 상태를 유도합니다.
   - dwell 구간에서는 soldering 재료의 melting temperature 이상의 시간을 유지하여야 하며 이때 soldering에서의 불량이 주로 결정나게 됩니다.
   - cooling 구간의 시간이 너무 느리거나 빠르면 solder ball 표면의 품질 이상이 발생하여 불량이 발생할 수 있습니다.
3. Flux Cleaning
   - Soldering을 위해 도포되었던 flux를 제거하는 공정으로 DI water를 분사하여 표면 내 flux residue를 제거합니다.

*Reflow Profile

 Reflow는 각 구간별로 온도를 따로 설정하여 진행해야 합니다. 이 구간의 온도와 시간을 조정함으로써 reflow profile을 확보할 수 있고 profile에 따라 reflow process의 필요 시간, soldering 중 기판 이송 속도 등을 계산할 수 있습니다.

 

*Flux를 사용하는 이유

 보통 금속 또는 합금을 용해할 때 용해한 금속 면이 직접 대기에 노출되면 산화되거나 대기 속 수분과 반응하여 불순물 함량이 높아질 수 있는데 이 때 대기와의 반응을 방지할 목적으로 금속의 표면에 용해한 염류에 의한 얇은 막을 만드는 방법으로 여러 기술이 개발되기 시작했습니다.

 이 때 용해된 금속과 반응하지 않아 별도의 불순물이 발생할 염려가 없는 염을 섞게 되면 금속의 원래 녹는점보다 융점이 낮아지게 됩니다. 녹은 염은 금속의 액체보다 비중이 가벼우므로 자연스럽게 금속 액체의 표면에 떠서 얇은 막을 이루게 되게 되어 금속 표면을 대기로부터 보호하게 되는데 이를 위해 사용하는 혼합염을 Flux라고 합니다.

 납땜이나 용접 등으로 금속을 접합할 때에 접착면의 산화를 방지하여 접합이 완전하게 되도록 염화물, 플루오르화물, 수지 등을 flux로 사용하는 것도 같은 원리입니다.

 

SBM 공정의 주요 불량 현상

 Soldering 공정에서 가장 중요한 항목은 기판과의 접합 신뢰도입니다. 그것을 확인하기 위해 여러 검사 장비를 통해 항목이 점검되는데요. 어떤 항목들이 있는지 살펴보도록 하겠습니다.

• Ball surface inspection (solder ball 표면 검사)
• bondability check
  - ball shear test, ball pull test 등을 통해 접합 강도, 파단면 등을 점검합니다.
• cross-sectiona 후 합금층 성장 거동 관찰
  - 합금층 (IMC, Intermetallic compound)의 두께 및 분포 수준과 합금층 내 기포 유무를 점검합니다.

 위 검사 방법에 의해서 발견되는 불량 유형 중 제일 많이 발생하는 것이 wetting에 의한 불량, 기포 불량 등입니다.

먼저 Wetting에 의한 불량은 아래와 같은 원인에 의하여 많이 발생합니다.

• 금속 패드의 산화 또는 오염
• flux 도포 불균일 또는 flux 성능 불량
• 오염된 solder ball 또는 solder ball oxidation
• 잘못된 reflow profilw에 의한 flux 성능 열화

원인을 보면 wetting에 의한 불량의 주된 원인은 flux의 도포 상태나 성능 등과 관련이 많습니다. 또한 너무 짧은 예열 구간 시간에 의해 flux 활성화가 제대로 이루어지지 않은 경우 또한 wetting에 의한 문제가 발생할 수 있습니다.

 

 Reflow 후 solder ball 단면을 보면 void, 즉 기포가 발생하는 불량이 발생하는 경우도 있습니다. 기포의 발생 원인은,

• solder ball 또는 기판 패드에 존재하는 비젖음 영역 (non-wettable spot)에 의해 flux가 갇히게 되어 기체 방울이 형성되는 경우인데, 이 것은 예열 구간 시간이 너무 길 경우에 발생할 수 있습니다.
• flux 내 활성 물질의 dry-out인 경우
• 기판 패드 또는 solder ball oxidation에 의한 flux 갇힘 증가를 야기하여 기포 생성을 촉진하고 드웰 구간이 너무 짧아 발생된 기체가 soldering 영역 밖으로 탈출할 시간적 여유를 주지 않아 이 역시 기포의 형성 원인이 됩니다.

 

soldering 공정은 칩과 패드 사이에 전기적 접합을 만들어주는 기본적인 공정입니다. 사용하는 재료에 공정 조건에 따라 특성이 변하기 쉬우므로 세밀한 관리가 필요합니다.

 

 기본적인 공정이나 단순하지는 않습니다. 공정 후 컨택 신뢰도 검사, 접합부 깨짐 분석 등 동반되는 여러 분석 기술들도 많이 있으며 Volume 감소, 저항 개선 등 지속적인 기술 개발이 필요한 부분입니다.