57 연구논문 BGA 패키지를위한언더필의열적특성과유동성에관한연구 노보인 * 이보영 ** 김수종 ** 정승부 * * 성균관대학교신소재공학부 ** 한국항공대학교항공우주및기계공학부 Evaluation of Thermal Property and Fluidity with Underfill for BGA Package Bo-In Noh*, Bo-Young Lee**, Soo-Jung Kim** and Seung-Boo Jung* *School of Advanced Materials Science and Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon 44-746, Korea **Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Hankuk Aviation University, Goyang 412-791, Korea Abstract In this study, the curing kinetics and thermal degradation of underfill were investigated using differential scanning calorimetry (DSC) and thermo gravimetry analysis (TGA). The mechanical and thermal properties of underfill were characterized using dynamic mechanical analysis (DMA) and thermo-mechanical analysis (TMA). Also, we presented on underfill dispensing process using Prostar tool. The non-isothermal DSC scans at various heating rates, the exothermic reaction peak became narrower with increasing the heating rate. The thermal degradation of underfill was composed of two processes, which involved chemical reactions between the degrading polymer and oxygen from the air atmosphere. The results of fluidity phenomena were simulated using Star CD program, the fluidity of the underfills with lower viscosity was faster. *Corresponding author : sbjung@skku.ac.kr (Received December 13, 25) Key Words : BGA package, Underfill, Glass transition temperature, Viscosity 1. 서론 플립칩 (flip chip) 과 ball grid array ( 이하 BGA) 와같은고밀도면실장패키지는많은수의핀카운트 (pin count) 로구성되어있고, 동시에빠른전기적동작신호의이동이가능하므로전자부품의패키지기술로서그사용빈도수가증가되고있다. 특히클락주파수 (clock frequency) 가증가하게되면고주파신호의지연, 노이즈의발생과같은문제도발생할가능성이매우높으므로플립칩과 BGA 를패키지기술에적용하기위해서솔더접합부의신뢰성이중요한관심사가되었다 1). 동시에솔더접합부신뢰성의감소는리플로우후의자기정렬현상또는열팽창계수차이에의한혼합변형 ( 응력, 압축, 전단등 ) 으로인하여발생되며 그대책으로언더필 (underfill) 이사용되고있다 2). 언더필은전자패키지에서실리콘칩 (silicon chip : Si의 CTE - 2.8ppm/ ) 과유기체기판 (organic substrate : FR-4 의 CTE - 2~3ppm/ ) 사이에위치하여칩과기판사이의열팽창계수차이로발생하는응력과변형을재분배하는역할은물론습기나다른모듈에끼치는전기적, 자기적환경의영향을최소화하는역할을한다 3). 그러나, 패키지에언더필의적용은패키지공정의증가로인한제조원가가상승하고, 그로인하여패키지공정의시간이증가한다는단점을가지게된다. 그러므로패키지의공정시간을감소시키기위하여언더필의빠른경화속도와우수한유동특성이요구되므로더욱정확한언더필의동역학적정보가필요하다 4). 언더필이패키지내에디스펜싱 (dispensing) 되는 大韓熔接學會誌第 24 卷第 2 號, 26 年 4 月 165
58 노보인 이보영 김수종 정승부 시간과관련된언더필의유동성은칩과기판사이의좁은간격사이로균일하게퍼져채워지는능력에좌우되고그특성은에폭시수지의분자구조, 필러크기, 칩과기판사이의간격, 온도에영향을받는다. 본연구에서는열분석법으로언더필의물성을분석하고언더필의점성이디스펜싱과정에미치는영향을시뮬레이션으로해석하였다. 2.1 열분석 Table 1 Chemical compositions of underfills Composition 2. 실험방법 Table 1은본실험에서사용된세종류의언더필조성을나타낸다. 언더필의유리전이온도 (glass transition temperature : 이하 Tg) 는시차주사열량측정 (differential scanning calorimetry, 이하 DSC, Seiko Co) 을이용하여 25 ~ 25 온도구간에서승온속도를 3, 5, 1, 2 /min 으로변화시키면서질소분위기에서실시하였다. 언더필의열화특성 (thermal degradation) 은열중량측정 (thermo gravimetry analysis, 이하 TGA, Seiko Co) 를이용하여 25 ~ 6 온도구간에서승온속도를 5, 1, 2, 4 /min 으로변화시키면서대기분위기에서실험을실시하였다. 언더필의댐핑특성은언더필을 15 온도에서 1 분동안경화시킨후얇은필름형상 (2 1.5mm) 으로가공하여동역학분석 (dynamic mechanical analysis, 이하 DMA, Seiko Co) 을실시하였다. 실험조건은 -5 ~ 25 온도구간에서주파수를 1, 1, 5, 1 Hz로변화시키며질소분위기에서실험을실시하였다. 언더필의열팽창계수는열적-기계적분석 (thermal mechanical analysis, 이하 TMA : Seiko Co) 을 -5 ~ 25 온도구간에서승온속도를 3, 5, 1, 2 /min 으로변화시키며질소분위기에서실험을실시하였고이때하중은 5 mn였다. sample A sample B sample C Epoxy resin 5-6 5-6 5-6 Hardener 3-4 3-4 3-4 Acrylic monomer - 3-7 - Adhesion promoter - - 2-3 Silica - 2 2 2.2 디스펜싱과정의시뮬레이션 대표적인전산유체역학 (computational fluid dynamics : CFD) 소프트웨어인 Star CD를이용하여언더필의점도에따른유동현상을시뮬레이션하였다 5-7). Fig. 1은본연구에서사용된 BGA 패키지모델의형상이다. 시뮬레이션에서사용된 Si, Sn-37Pb 솔더, FR-4 기판의열팽창계수는각각 2.8 ppm/, 18 ppm/, 24.5 ppm/ 이다. Sn-37Pb 솔더의지름은 65 μm이고 Si와 FR-4 기판의두께는 5 μm이다. 각솔더의피치는 1mm 이고 25개의솔더로구성되어진 BGA 패키지형상을사용하였다. 그리고, 시료 A, B, C 언더필의점도는각각 4,6 cps, 6, cps, 4, cps값을사용하였다. 3.1 열분석 Sn-37Pb Solder Si FR-4.5mm.65mm.5mm 1.mm 6.65mm 1.mm 1.mm 6.65mm Fig. 1 The shape of BGA package for simulation Heat flow(mw) 2 1-1 -2 3. 실험결과및고찰 에폭시의경화반응은 DSC 분석으로 Fig. 2와같이승온속도 5 /min 의조건으로실시하였다. 실험결과에서알수있듯이시료 B와 C 언더필의유리전이온도 5 1 15 2 25 Fig. 2 The results of DSC at heating rate of 5 /min 166 Journal of KWS, Vol. 24, No. 2, April, 26
BGA 패키지를위한언더필의열적특성과유동성에관한연구 59 가 A 언더필에비하여높고경화시두시료의열유동거동이유사한것을확인할수있었다. 이는시료 B와시료 C 언더필의구성성분 ( 에폭시수지, 경화제, 첨가제등 ) 과성분비가유사하기때문이라사료된다. 또한, 시료 A 언더필의유리전이온도가시료 B와 C에비하여낮기때문에고무상태 (rubbery state) 로변환할수있고, 따라서 BGA 패키지에서의리페어특성 (repair property) 이우수하리라사료된다. Fig. 3은시료 C 언더필을승온속도와함께열유동특성을 DSC 분석한결과이다. 그림에서알수있듯이열적지연효과 (thermal delay effect) 로인하여승온속도가증가할수록유리전이온도및발열구간이고온쪽으로이동하고, 언더필의발열구간의영역은감소하였다. DSC 실험결과를 ln(β/tp 2 ) 와 (1/Tp) 사이의관계를나타내는 Kissinger 방법 8-9) 과 ln(β) 와 (1/Tp) 사이의관계를나타내는 Ozawa 방법 8-9) 을이용하여해석하면경화반응에필요한활성화에너지 (activation energy for curing reaction) 를구할수있다. 활성화에너지를계산하기위한 Kissinger 방법과 Ozawa 방법을아래의 (1) 과 (2) 식으로나타내었다. -ln(β/tp2)=ln(e/r)-ln(an)- (n-1)ln(1-α)p+(e/rtp) (1) logβ=(1/2.33)lnβ=-.4567(e/rtp)+ (log(ae/r)-logf(α)-2.315) (2) 위식에서, E는활성화에너지, R은기체상수, α는변환정도, β는승온속도, Tp 는발열구간의최대온도를각각나타낸다. Fig. 4에시료 C 언더필을 Kissinger 와 Ozawa 방법을이용하여계산한활성화에너지를나타내었다. Kissinger 방법으로계산된활성화에너 -ln(β/tp 2 ) or -ln(β) 12 8 4-4 -8 Kissinger method E=63KJ/mol Ozawa method E=65KJ/mol.235.24.245.25.255.26 1/T Fig. 4 Activation energy for curing reaction of underfill 지는시료 C 언더필의경우 63 kj/mol, A와 B는각각 74 kj/mol와 15 kj/mol 로계산되었다. 또한, Ozawa 방법으로구한활성화에너지는시료 C 언더필의경우 65 kj/mol, A와 B는각각 77 kj/mol 과 16 kj/mol 이었고, 그순서는 Kissinger 방법으로구한결과와유사한경향으로나타났다. 활성화에너지는화학반응에필요한에너지를의미하고그값이낮을수록쉽게반응하므로시료 C 언더필이 A와 B 언더필보다쉽게전이가발생할것으로사료된다. Fig. 5는승온속도 5 /min 조건에서분석한 TGA 결과를나타낸다. 이결과로부터 T 1( 전체무게에대한무게손실이 1% 될때의온도 ) 의온도가전체적으로시료 C (312 ) < B (315 ) < A (336 ) 의순서로높다. 이는시료 A 언더필이 B와 C 언더필에비하여상대적으로우수한내열특성을가지고있다는것을의미한다. 또한, 열적지연현상에의해승온속도가증가할수록 T 1 은고온쪽으로이동하고, 3 와 5 영역에서두번의상변태가발생하고있다. 이는대 4 3 /min 5 /min 2 1 /min 2 /min -2 Heat flow(mw) -2-4 TG(%) -4-6 -8-6 -1 5 1 15 2 25 Fig. 3 The results of DSC for underfill 1 2 3 4 5 6 Fig. 5 The results of TGA at heating rate of 5 /min 大韓熔接學會誌第 24 卷第 2 號, 26 年 4 月 167
6 노보인 이보영 김수종 정승부 기중에서온도의상승과더불어폴리머가두단계의열화과정 12) 을, 질소분위기에서는한단계의열화과정 13) 을거친다는타연구자의연구 12,13) 와일치하고있다. Fig. 6에열화현상을 Kissinger 방법 1-11) 으로구한활성화에너지값을나타내었다. 시료 C 언더필의활성화에너지는 126 kj/mol, A와 B는각각 176 kj/mol, 253 kj/mol 로계산되었다. 언더필의주성분은필러와폴리머수지로구성되어있고온도와변형률 (strain rate) 은열적-기계적특성에큰영향을미친다. Fig. 7에 5 Hz 주파수에서저장계수 (E', storage modulus) 에대한 DMA 분석결과를나타내었다. 여기서저장계수 (E') 는사이클당변형에대한에너지의저장량 (stored energy) 을나타내며손실계수 (loss modulus : E") 는사이클당변형에대한에너지의손실량을나타낸다. 그리고 tan δ ( 댐핑특성 ) 는온도와주파수에의존하는물성으로손실계수에대한저장계수의비를나타내는값이다. 저장계수는시료 C < B < A의순서로높은값을 -LN(β/Tm 2 ) 12. 11.5 11. 1.5 1. 9.5 9. 8.5 E=176KJ/mol E=253KJ/mol E=126KJ/mol 8..152.156.16.164.168 1/Tm Fig. 6 Activation energy for thermal degradation reaction 가지고있었으며손실계수의크기도같은경향으로나타났다. 이와같은결과는외부주파수에대한시료 A 언더필의체인결합매트릭스구조가시료 B와 C 언더필에비하여강하다는것을의미한다. 또한, 높은저장계수를갖는언더필이높은손실계수를갖는다는것을확인할수있었다. Lau 3) 는주파수가증가하면저장계수도증가한다고보고하고있다. 또한, 유리전이온도근처에서폴리머의손실계수와 tan δ값은최대값을나타내며 tan δ의최대값에서길이변형률또한최대가된다고보고되었다. 14) 언더필의기계적강성 (stiffness) 은그조성에따라서변화되고그로인하여패키지의접합강도또한큰영향을받기때문에강성이우수한언더필을사용한 BGA 패키지일수록상대적으로우수한피로특성을나타낸다. 14) Fig. 8에주파수 5 Hz의주파수에서 tan δ에대한 DMA 분석결과를나타내었다. 일반적으로주파수가증가할수록 tan δ의영역은필러와필러, 필러와폴리머사이의분해에너지의마찰로인하여넓어지게되고필러의불균일한분배와열응력은 tan δ의특성에영향을주게된다. 따라서, 주변의높은주파수는필러와필러, 필러와폴리머수지사이의분해에너지를증가시키고길이변형률을증가시켜유리전이온도근처에서수지의구조가최대로완화되기에길이변형률이최대가된다 3). Fig. 8로부터주파수에의한분해에너지 (dissipation energy) 의최대온도를나타내는 tan δ값이시료 C < B < A의순서로높은값을나타내는것을확인할수있었고이 tan δ는길이변형률이최대가되는언더필의유리전이온도를나타내므로외부주파수에의한언더필의유리전이온도는시료 C < B < A의순서로높은온도를갖는것을확인할수있었다. 따라서, 시료 C 언더필이 3.5E+9 3.E+9 1.2 1. Modulus(Pa) 2.5E+9 2.E+9 1.5E+9 1.E+9 tanδ.8.6.4 5.E+8.E+ -5.E+8-5 5 1 15 2 25 Fig. 7 Storage modulus at condition of 5 Hz frequency.2. -5 5 1 15 2 25 Fig. 8 The results of tanδ at frequency of 5 Hz 168 Journal of KWS, Vol. 24, No. 2, April, 26
BGA 패키지를위한언더필의열적특성과유동성에관한연구 61 Length deformation ( μm ) 3 2 1-1 (A) t=2.5sec (E) t=16.88sec (I) t=32.16sec (B) t=5.42sec (F) t=2.7sec (J) t=35.98sec (C) t=9.24sec (G) t=24.52sec (K) t=39.79sec (D) t=13.6sec (H) t=28.34sec (L) t=1.92sec -5 5 1 15 2 25 Fig. 9 The results of TMA at heating rate of 5 /min 다른 A와 B 언더필에비하여외부주파수에의해쉽게분해될것이라사료된다. Fig. 9는승온속도 5 /min 의조건에서실시한 TMA 실험결과이다. 언더필경화후 5 ~ 15 온도구간에서시료 B < C < A의순서로길이변형률변화가큰것을확인할수있었다. 열팽창계수차이가작은언더필이열피로특성이우수하다는결과가보고되고있다 4). 3.2 디스펜싱과정의시뮬레이션 전자패키지과정에서언더필은모세관현상을통하여칩과기판사이의공간에채워지므로언더필의모세관특성은매우중요하다. 언더필의흐름은점도, 접촉각과필러크기와필러의분율로서그특성을평가할수있다. 일반적으로언더필의점성은필러함유량이증가되면점성도증가하고, 유동률은온도가증가하면증가하고필러함유량이증가하면감소한다. Fig. 1 The BGA package shape of dispensing process Fig. 11 The flow phenomena of underfill L. Nguyen 등 16) 은언더필의유동현상해석을 FEM (finite element method) 등과같은전산모사법으로시도하였다. 본연구에서 Star CD (computational dynamics. co) 를이용하여유동현상을시뮬레이션해석하기위한패키지의형상을 Fig. 1에나타내었다. 이때언더필이디스펜싱되는출입구의온도는 8, 언더필의주입속도는 5 mm/sec, 언더필의주입압력은 5 psi 로 BGA 패키지사이로디스펜싱된다고가정하였고시간간격을.382 초로지정하여언더필의점도에따른유동흐름의거동특성을관찰하였다. Fig. 11은 BGA 패키지의오른쪽아래모서리에서시료 A 언더필을디스펜싱하였을때의유동흐름을시뮬레이션한결과이다. 언더필이패키지의오른쪽아래부분부터채워지면서완전히패키지의내부를채우는데소요되는시간이대략 11 초정도임을확인할수있었다. 언더필이디스펜싱되는곳에서거리가멀리떨어진패키지부분에서는상대적으로거리가가까운패키지부분에비해주입압력이약하기때문에언더필의유동속도가떨어지는것을확인할수있었다. 또한, 솔더볼주변부분에서는언더필이솔더볼에맞부딪히는현상에의해언더필의유동이빨라지는것을확인할수있었다. Fig. 12와같이시료 A 언더필의유동에필요한시간은약 11 초, B는약 15 초, C는약 1 초가소요되어점도가높은언더필일수록 BGA 패키지내부로완전하게디스펜싱되는시간이길어진다는것을알수있었다. 따라서, 상대적으로높은점도를갖는언더필은실제생산공정중에서점도가낮은언더필에비하여언더필이디스펜싱에더많은시간이소요될것이라판단되어진다. 그러므로현장에서는언더필의디스펜싱시간을단축시키는방법으로외부에서기판에열을가하여언더필 大韓熔接學會誌第 24 卷第 2 號, 26 年 4 月 169
62 노보인 이보영 김수종 정승부 Fig. 12 The flow phenomena of underfills 의흐름을향상시키는방법이사용되고있다. 4. 결론 언더필의조성에따른열적특성과언더필의디스펜싱과정의시뮬레이션결과는다음과같다. 1) 비등온 DSC 결과로부터승온속도가증가할수록언더필의유리전이온도와발열구간이고온쪽으로이동하는것을확인할수있었으며발열구간의영역이좁아지는것은열적지연효과에의하여발생되어지는것이라판단된다. 승온속도에따른경화반응에필요한활성화에너지를구한결과시료 C < A < B 의순서로활성화에너지가높은것을확인할수있었다. 따라서, 시료 C 언더필이동일한열량을가하였을때시료 A와시료 B 언더필보다빠른상변태가일어날것이라사료된다. 2) TGA 결과로부터승온속도가증가할수록언더필의 T 1 ( 전체무게에대한무게손실이 1% 될때의온도 ) 의온도도고온쪽으로이동하는것을확인할수있었다. 승온속도에따른첫번째열화과정에대한활성화에너지를구한결과시료 C < A < B 의순서로활성화에너지가높아지는것을확인할수있었다. 따라서, 시료 C 언더필이시료 A와 B보다무게손실반응에필요한에너지가적을것이라사료된다. 3) DMA 실험결과로부터주파수에의한분해에너지의최대온도를나타내는 tan δ값은시료 C < B < A의순서로높은값을가지고있음을확인할수있었다. 이는시료 C 언더필이다른언더필보다외부주파수에의해쉽게분해되는것을의미한다. 4) TMA 실험결과로부터언더필경화후 5 ~15 온도구간에서시료 B < C < A의순서로 외부에서열을가했을때언더필의길이변형률변화가큰것을확인할수있었다. 5) 언더필시료 A, B, C는각각 4,6 cps, 6, cps, 4, cps 의점도값을갖는것을고려하여언더필의유동흐름에대한시뮬레이션을실시한결과언더필이 BGA 패키지안으로완전하게디스펜싱되는데각각 11초, 15초, 1 초의시간이걸리는것을확인할수있었다. 이결과로부터점도가높은언더필일수록패키지안으로완전하게디스펜싱되는데많은시간이요구되는것을확인할수있었다. 언더필은에폭시수지, 경화제, 충진제, 첨가제의종류나함유량에따라각기다른유리전이온도, 열팽창계수, 저항, 내수성, 점성, 칙소성같은특성들을포함하게되므로언더필을선택할시에는사용되는조건에적합한선택이필수적이다. 후 기 본연구는산업자원부의지역기술개발프로그램 (MOCIE : No.RTI4-3-4) 의연구비지원에의해수행되었습니다. 참고문헌 1. Y.C. Chan, P. L. Tu, K. C. Hung : Study of the self-alignment of no-flow underfill for micro-bga assembly, Microelectronics Reliability, 21. 1867-1875 2. De-Shin Liu, Chin-Yu Ni : A study on the electrical resistance of solder joint interconnections, Microelectronic Engineering, 22. 363-372 3. J. H. Lau : Flip Chip Technologies, McGraw-Hill, 1996. 123-153 4. Yi. He, Brian E. Moreira, Alan Overson, Stacy H. Nakamura,Christine Bider, John F. Briscoe : Thermal characterization of an epoxy-based underfill material flip chip packaging, Thermochimica Acta,1-8 (2). 357-358 5. S.Gordeev, V. Heinzel, V. Slobodtechouk : Features of convective heat transfer in heated helium channelflow, International Journal of Heat and Mass Transfer, 48 (25). 3363-338 6. Jurgen Stabel, Mingmin Ren: Fluid-structureinteraction for the analysis of the dynamics of fuel storage racks in the case of seismic loads, Nuclear Engineering and Design, 26 (21). 167-176 7. K. Schroder, H. Gelbe : Two-and three-dimensional CED-simulation of flow-induced vibration excitation in tube bundles, Chemical Enigineering and Processing, 38 (1999). 621-629 8. Yi He : DSC and DEA studies of underfill curing kinetics,, Thermochimica Acta, 367-368 (21). 17 Journal of KWS, Vol. 24, No. 2, April, 26
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