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JWJ > Volume 38(2); 2020 > Article
열충격시험과 3점굽힘시험을 통한 BGA 패키지 신뢰성에 미치는 언더필과 코너필의 영향

Abstract

The reliability of a BGA component packaged with underfill and cornerfill was evaluated by 3-point bend test under two thermal shock conditions. The BGA component packaged with cornerfill failed before 500 cycles at a temperature range of -40 ~ 125 °C. Crack propagation occurred between the Sn3.0-Ag0.5Cu solder and (Cu, Ni)6Sn5 intermetallic compound of the BGA component side. Both the BGA components packaged with soldering and underfill passed the thermal shock test under two conditions. However, the SAC305 BGA component assembled with cornerfill only passed a thermal shock in the range of –40 ~ 85 °C. After 2,000 thermal shock cycles under two temperature conditions, bending reliability was evaluated by 3-point bend test. The SAC305 BGA component packaged with underfill showed superior bending reliability of over 3,000 bend cycles. The early failure (before 500 thermal cycles) of the SAC305 BGA component assembled by cornerfill was considered to be related to the coefficient of thermal expansion (CTE) and glass transition temperature (Tg) of the cornerfill material.

1. 서 론

Sn-Pb계 유연 솔더는 우수한 기계적 특성 및 낮은 가격 등의 장점으로 전자 패키징 분야에서 주로 사용되어왔다. 그러나, Pb의 유해성 문제로 regulation of cer- tain hazardous substances (RoHS), waste electrical and electronic equipment (WEEE) 등의 환경 규제로 Pb의 사용을 규제함에 따라 Pb가 들어가지 않는 무연솔더의 필요성이 대두되어 연구가 활발히 진행되어왔다1-4). Pb가 포함되지 않은 다양한 무연솔더 중에서 Sn-3.0Ag-0.5Cu 솔더 (SAC305)는 우수한 내열피로 특성과 솔더링성으로 인하여 유연솔더합금을 대신하여 가장 널리 사용되고 있다. 또한, 전자제품의 경,박,단,소화로 chip scale package (CSP), ball grid array (BGA) 패키징기술과 같은 고밀도 면실장 패키지가 많이 사용되고 있다5-8). 많은 I/O (input/output) 핀 (pin) 수를 갖는 CSP와 BGA가 자동차의 전장부품으로 널리 적용되고 있으며, 열, 진동, 충격과 같은 복합스트레스 환경에서의 고내구, 고신뢰성이 중요해졌다9-12). 일반적인 차량용 전장부품은 사용되는 위치에 따라 다양한 온도환경에 노출되는데, 실내전장부품은 주로 -40 ~ 85 °C 온도조건, 엔진룸용 전장부품은 -40 ~ 125 °C의 온도조건으로 사용 위치에 따라서 다양한 온도에 노출되어 있으므로 사용조건을 만족하는 높은 신뢰성이 요구되고 있다13-15). 따라서 높은 내구성 및 신뢰성을 만족시키기 위하여 언더필 (underfill), 사이드필 (sidefill), 코너필 (cornerfill) 등 다양한 기능의 충진재가 사용되고 있으며, 고 신뢰성 전장부품의 구현을 위한 고 신뢰성 부품의 설계연구도 진행되고 있다.
예를 들어 가장 널리 사용되는 에폭시 언더필은 에폭시 수지와 경화제, 다양한 사이즈의 필러 등으로 제작하여 Si chip과 printed circuit board (PCB) 기판 사이에 충진되어, 칩과 PCB 기판 사이의 열팽창계수 (coefficient of thermal expansion) 차이로 발생되는 응력과 변형을 부품내부에서 재분배하고, 외부응력을 최소화하여 열적, 기계적 신뢰성을 향상시키는 역할을 한다16). 그러나, 언더필은 충진 및 경화시키는 공정에서 서로 다른 이종계면에 void trap이 발생, 최적의 충진조건 부족으로 인하여 부품의 신뢰성을 더욱 나쁘게 할 수도 있으므로 최적의 공정조건으로 사용하는 것이 매우 중요하다17). 이러한 단점을 극복하기 위하여 응력집중부에만 충진재를 충진하는 코너필이 적용되고 있으며, 코너필은 빠른 충진시간과 언더필 대비 void 발생이 적으며 충진 면적이 적어져 재료절감 및 공정시간단축을 위하여 개발되고 있다.
따라서, 본 연구에서는 BGA component를 FR-4 substrate에 솔더접합부를 형성하여 BGA 패키지 (BGA package)를 제작하여 언더필과 코너필을 충진한 뒤 열충격시험 (thermal shock test) 및 3점 굽힘시험 (3- point bend test)을 통해 열적, 기계적 신뢰성을 비교, 평가하였다.

2. 실험 방법

2.1 BGA 패키지부품 시편제작

Fig. 1은 SAC305 BGA 패키지의 제작공정 및 언더필과 코너필 경화과정을 나타낸 것이다. SAC305 솔더 페이스트 (TLF-204-151, TAMURA Co., Japan)를 무전해니켈/금도금 (ENIG, electoless nickel imersion gold) 표면처리된 FR-4 PCB 기판에 스크린프린팅 (screen printing) 공정으로 인쇄한 뒤 리플로우 (reflow) 공정으로 BGA 패키지를 제작하였다. 이때, 최대 peak온도는 260 °C로 5분 동안 리플로우 공정을 진행하였다. BGA component의 규격은 23 × 23 × 1.6 mm3, I/O 핀 수는 288개, Cu pad opening은 400 ㎛, pitch는 800 ㎛이며, PCB 기판의 구리 (copper, Cu) 전극은 ENIG로 표면처리되었다. BGA 패키지 제작에 사용된 PCB 기판과 BGA component는 1.6 mm의 FR-4로 BGA component의 전극은 solder mask defined (SMD), PCB 기판은 non solder mask defined (NSMD)로 제작되었다. 리플로우 공정 후 pass 혹은 fail 여부를 전기적인 저항측정으로 확인한 뒤 pass가 확인된 시편들을 사용하였다. 또, 언더필과 코너필을 충진한 후 150 °C 온도에서 10분간 대기중에서 경화공정을 진행하여 시편제작을 하였으며, 실험의 오차를 줄이기 위해 각 조건당 5개의 시편을 제작하여 평가하였다. 이때, 언더필은 전면에 충진되어, BGA 패키지의 신뢰성을 향상시키는 역할을 하며, 코너필은 응력집중부에 충진되어 BGA 패키지의 신뢰성을 향상시킬 것으로 기대하였다. 또한, pass가 확인된 시편들은 X-ray를 통해 솔더내 void의 유무를 확인하였고, 상부의 component를 폴리싱하여 제거한 뒤, 광학현미경 (OM, optical microscope)을 통해 기판의 top view를 관찰하여 언더필과 코너필의 충진부를 확인하였다. 본 실험에서는 언더필과 코너필이 BGA 패키지의 열적, 기계적인 신뢰성에 미치는 영향을 분석하기 위해 솔더링만 되어있는 BGA 패키지와 언더필과 코너필이 적용된 BGA 패키지 등 3종류의 전자패키지의 신뢰성을 상호 비교, 평가하였다
Fig. 1
Fabrication process of the BGA component packaged with underfill and cornerfill
jwj-38-145-g001.jpg

2.2 열충격시험 및 3점굽힘시험

Fig. 2는 a) 언더필과 코너필의 충진위치, b) 전기적 신뢰성 평가를 위한 daisy-chain 구조, 그리고 c) 3점 굽힘시험의 개략도를 나타낸다. 언더필과 코너필 충진 후 경화과정이 완료되면 Fig. 2 a)와 같이 언더필은 전면에 충진되어 경화가 되고, 코너필은 응력집중부에만 충진되어 경화된다. 또한, Fig. 2 b)와 같이 총 10개의 daisy-chain 구조 (E1~E10)를 만들어, 열충격시험 후 3점 굽힘시험을 진행할 때, 응력에 취약하여 fail이 주로 발생하는 접합부를 분석하여 신뢰성을 검토하였다. 열충격시험은 열충격시험장비 (TSA-70L-W, ESPEC, Japan)를 이용하여 JESD22-A104D 규격의 -40 ~ 85 °C의 온도조건 (N condition)과 -40 ~ 125 의 온도조건 (G condition)에서 각각 10분간 유지하였으며, 온도변화 시간은 5분 이내로 하여 총 2,000회까지 진행하였다. 열충격시험 평가는 초기 500회부터 250회 간격으로 총 7번 측정을 진행하였다. 2,000회의 열충격시험에서 fail이 발생하지 않은 시편은 3점 굽힘시험을 진행하여 신뢰성을 분석하였다. 3점 굽힘시험은 150 N으로 초당 1회 (1Hz)의 조건으로 실시하였다. 또한, 열충격시험과 3점 굽힘시험시 BGA 패키지의 failure 평가는 JESD22-B111 규격과 같이 전기저항이 초기저항대비 20 % 증가한 시점을 failure로 평가하였다.
Fig. 2
The schematics of a) BGA component packaged with various adhesion materials, b) location of daisy chain structure, and c) 3-point bend test
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열충격시험과 3점 굽힘시험에서 파단이 발생한 시편의 접합부 파단면과 미세조직은 scanning electron microscope (SEM, Hitachi, S-3000H, Japan)를 이용하여 분석하였다.

3. 실험 결과

Fig. 3은 X-ray와 광학현미경을 이용하여 본 실험에 사용된 솔더, 언더필 및 코너필이 충진된 BGA 패키지의 void 및 충진부의 top view를 나타낸다. X-ray 이미지에서 볼 수 있듯이, 세 종류의 BGA 패키지 모두 솔더내부에 void가 없는 것을 확인하였다. 또한, 세 종류의 BGA 패키지를 폴리싱하여 접합부의 top view를 관찰한 결과, 언더필이 충진된 BGA 패키지는 언더필 충진부에서 일부 작은 void가 있는 것을 확인하였으며, 코너필이 충진된 BGA 패키지에서는 코너필 충진부에서 void가 발견되지 않았으며 Fig. 2 a)와 같이 응력집중부에 코너필이 충진된 것을 확인하였다.
Fig. 3
The X-ray images and optical micrographs of soldering, underfill and cornerfill BGA packages
jwj-38-145-g003.jpg
Table 1은 -40 ~ 85 의 온도조건과 -40 ~ 125 °C의 온도조건으로 진행된 열충격시험의 결과를 나타낸다. 솔더링, 언더필 그리고 코너필이 충진된 BGA 패키지는 -40 ~ 85 °C 조건에서는 2,000회까지 파단이 없이 우수한 열충격신뢰성을 나타내었다. 한편, 솔더링과 언더필이 충진된 BGA 패키지는 -40 ~ 125 °C 온도조건에서 열충격시험을 2,000회까지 실시해도 파단이 발생하지 않았으나, 코너필이 충진된 BGA 패키지는 500회 이전에 파단이 발생하였다. 따라서, 솔더링과 언더필은 두 온도조건 모두에서 열충격 신뢰성이 우수한 것으로 사료되고, 코너필의 경우 -40 ~ 85 °C 온도조건에서는 열충격 신뢰성이 우수하나, -40 ~ 125 °C 온도조건에서는 열충격 신뢰성이 매우 낮은 것으로 사료된다.
Table 1
Thermal reliability after thermal shock test for 2000 cycles
Type of BGA package The conditions of thermal shock test
-40 °C~ 85 °C -40 °C~ 125 °C
Soldering Pass Pass
Underfill Pass Pass
Cornerfill Pass Failure before 500 cycles
Fig. 4는 -40 ~ 125 °C 온도조건에서 Fig. 2 b)에 표기된 daisy-chain E1 ~ E10에서 파단이 발생한 시편의 수를 나타낸다. 총 5개의 시편을 분석한 결과, 모든 시편에서 E1, E3 그리고 E7에서 전부 failure가 발생하였고, E5는 4개의 시편, E2는 3개의 시편, E8는 2개의 시편 그리고 E4와 E6는 1개의 시편에서 failure가 발생한 것을 확인하였다. 또한, 내부에 위치한 E9와 E10에서는 failure가 발생하지 않았다. 따라서, 코너필 BGA 패키지의 열충격시험시 코너부분에 위치한 전극 E1, E3, E5, E7에서 파단이 가장 많이 발생하였으며, 열충격시험시 코너부분에 가장 큰 응력이 발생하여 파단이 발생한 것으로 사료된다.
Fig. 4
Failed electrodes of the BGA component packaged with cornerfill after thermal shock of 500 cycles in temperature ranges of -40 ~ 125 °C
jwj-38-145-g004.jpg
Fig. 5는 -40 ~ 125 °C 온도조건 열충격시험에서 500회 이전에 failure가 발생한 코너필 BGA 패키지의 파단면 SEM이다. 상부에 위치한 BGA component의 Cu pad 표면에 Ni(P) layer와 Ni3P layer가 형성되어있고, (Cu.Ni)6Sn5 금속간화합물이 Ni3P layer 위로 관찰되었다. 다른 논문에서 보고된 바와 같이 Au layer는 솔더 조직내로 고용되었으며, Kirkendall void가 (Cu. Ni)6Sn5 금속간화합물과 Ni3P에서 관찰되었다18,19). 코너필이 충진된 BGA 패키지는 열충격시험 500회 이전에 파단이 발생하였는데, Kirkendall void가 존재하는 Ni3P layer 혹은 (Cu,Ni)6Sn5 금속간화합물 층에서 발생하지 않고 금속간화합물과 솔더의 계면을 따라 파단이 발생한 것을 확인하였다20,21).
Fig. 5
The cross-sectional SEM micrographs of BGA component packaged with cornerfill after -40 ~ 125 °C
jwj-38-145-g005.jpg
Fig. 6는 두가지 온도조건의 열충격시험 2,000회를 실시한 후에도 failure가 발생하지 않은 솔더링, 언더필, 코너필이 충진된 BGA 패키지를 3점 굽힘시험을 통해 기계적 신뢰성을 평가한 그래프이다. -40 ~ 85 °C 온도조건과 -40 ~ 125 °C 온도조건에서 열충격시험을 2,000회 실시한 솔더링 BGA 패키지는 3접 굽힘시험 횟수가 각각 176회, 8회의 평균값을 나타냈다. 가혹한 온도조건 (-40 ~ 125 °C)에서 열충격시험이 진행된 솔더링 BGA 패키지의 기계적 특성이 매우 낮은 것을 확인하였다. 또한, -40 ~ 125 °C 온도조건에서 열충격시험 500회 이전에 파단이 발생한 코너필을 충진한 BGA 패키지를 제외한 언더필, 코너필 BGA 패키지는 모두 3,000회가 넘는 3점 굽힘시험 결과를 나타내 우수한 기계적 특성을 보였다. 열충격시험과 3점 굽힘시험 결과, 언더필을 충진한 BGA 패키지는 -40 ~ 85 °C 온도조건과 -40 ~ 125 °C 온도조건 모두에서 우수한 열충격 신뢰성 및 기계적 신뢰성을 나타냈다. 반면, 코너필을 충진한 BGA 패키지는 -40 ~ 85 °C 온도조건에서는 열충격 신뢰성과 기계적 신뢰성이 우수하였으나, -40 ~ 125 °C 온도조건에서는 열충격 신뢰성이 낮은 것을 확인했다.
Fig. 6
Bending cycles to failure after 2000 cycles of thermal shock test
jwj-38-145-g006.jpg
Fig. 7은 3점 굽힘시험 후 파단이 발생한 BGA 패키지의 파단면을 SEM으로 관찰한 결과이다. 3점 굽힘시험 3,000회 까지 파단이 발생하지 않은 언더필과 코너필을 충진한 BGA 패키지는 응력집중부를 분석하기위한 파단위치 관찰위해 파단이 발생할 때까지 추가적으로 3점 굽힘시험을 진행하였다. 파단은 모든 시편에서 BGA component 쪽의 솔더내부파단으로 관찰되었다. 또한, BGA component의 경우 SMD 타입으로 제작이 되어, Fig. 7과 같이 solder mask가 Cu pad를 덮는(overlap) 구조로 되어있는데, 모든 시편에서 파단의 시작점이 BGA component의 solder mask와 솔더의 계면에서 발생하였다. McCormick22)의 보고에 따르면 solder mask가 Cu pad에 overlap되는 부분이 솔더접합부의 형상에 변화를 유발하여 solder mask와 솔더의 계면에 응력집중을 발생시키는데, 이러한 원인으로 solder mask와 솔더 계면에서의 응력집중으로 인해 크랙이 성장하여 파단이 발생한 것으로 사료된다.
Fig. 7
The cross-sectional SEM micrographs of BGA packages after 3-point bend test
jwj-38-145-g007.jpg
Table 2는 본 실험에 사용된 언더필과 코너필의 열팽창계수값과 유리전이온도를 나타낸다. 언더필과 코너필의 열팽창계수값와 유리전이 온도 값의 차이에서 -40 ~ 125 °C 온도조건의 열충격신뢰성 차이가 발생하는 것으로 사료된다. 언더필은 유리전이온도 (Tg)가 120 °C이며, 열팽창계수값은 유리전이온도 이하에서는 49 ppm, 유리전이온도 이상에서는 144 ppm을 갖는다. 따라서, -40 ~ 125 °C 온도조건에서 열충격시험시 120~125 °C의 온도에서만 큰 열팽창을 발생한다. 반면 코너필은 유리전이온도가 105 °C, 열팽창계수값은 유리전이온도 이하에서는 56 ppm, 유리전이온도 이상에서는 190 ppm을 갖는다. 이때, -40 ~ 85 °C 온도조건에서는 56 ppm의 낮은 열팽창계수로 열팽창이 적어 열충격신뢰성이 우수하지만, -40 ~ 125 °C 온도조건에서는 105 °C 이상에서 190 ppm의 높은 열팽창계수로 인한 큰 열팽창으로 코너필이 충진된 BGA 패키지에 응력을 발생시켜 열충격시험 500회 이전에 파단이 발생한 것으로 사료된다. 또한, -40 ~ 85 °C 온도조건에서는 코너필이 언더필과 동일한 정도의 3점 굽힘신뢰성을 나타내었는데, 유리전이온도 및 열팽창계수는 다르지만 경도값이 두 물질이 비슷하여 기계적 신뢰성이 동일하게 평가된 것으로 사료된다.
Table 2
Physical properties of underfill and cornerfill
Material Glass transition temperature Coefficient of thermal expansion Hardness
Tg (°C, TMA) α1 (ppm, TMA) α2 (ppm, TMA) Shore D (HS)
Underfill 120 49 144 80~90
Cornerfill 105 56 190 80~90
따라서, 코너필의 유리전이온도 이상에서의 높은 열팽창계수값과 낮은 유리전이온도가 열충격시험의 온도조건 혹은 실제 사용조건에서 열충격신뢰성에 미치는 영향이 클 것으로 생각되며, 그에 대한 구체적인 연구는 향후 보완연구를 통하여 밝혀야 할 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 연구에서는 언더필과 코너필을 SAC305 BGA 패키지에 충진하여 열충격시험을 실시한 뒤 3점 굽힘시험으로 기계적 신뢰성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 1) -40 ~ 85 °C 온도조건의 열충격시험에서 언더필과 코너필이 충전된 BGA 패키지는 솔더링 BGA 패키지보다 모두 기계적 신뢰성이 향상되어 언더필과 코너필 모두 -40 ~ 85 °C 온도조건에서 우수한 신뢰성을 나타냈다.

  • 2) -40 ~ 125 °C 온도조건의 열충격시험에서 코너필이 충진된 BGA 패키지는 500회 이전에 모든 시편에서 파단이 발생해 -40 ~125 °C 온도조건에서 사용시 낮은 열충격신뢰성으로 인해 문제가 발생할 가능성이 높으며, 반면 언더필이 충진된 BGA 패키지는 -40 ~ 125 °C 온도조건에서도 우수한 열충격신뢰성과 기계적신뢰성을 나타냈다.

  • 3) 코너필이 충진된 BGA 패키지를 분석한 결과, 낮은 유리전이온도와 높은 열팽창계수 값이 열충격신뢰성에 미치는 영향이 큰 것으로 생각되며, 추후 보완연구에서 상관관계를 분석해 유리전이온도와 열팽창계수값의 최적화가 필요할 것으로 사료된다.

후 기

본 연구는 2019년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT) 연구비 지원(과제번호: 20006956)을 받아 수행된 연구결과입니다.

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