조사, 선택, 평가, 테스트 및 품질 검증 방법에 초점      
장비교체 및 공정 변화 최소화에도 주안점

가까운 미래에 중단될 수도 있는 생산에 사용 중인 언더필 재료를 대체할 수 있는 rework이 가능한 언더필 물질의 조사, 식별, 선택, 평가, 테스트 및 품질을 검증하기 위해 수행되었던 접근법 및 프로세스 개선 활동을 요약하였다. 해당 노력의 주요 목적은 현재와 미래의 CCA 설계에서 지금의 적정한 언더필 재료를 대체할 수 있는 하나 이상의 언더필 재료를 식별하는 것이었다. 두 번째 목적은 선정된 대체 언더필 재료를 최소한의 제조 프로세스 및 장비 변경만으로 CCA 설계에 통합할 수 있게 하는 것이었다. 이렇게 하면, 지금의 언더필 사용에 적응된 어셈블리 업체들은 추가 테스트와 재검증 최소화 효과를 누릴 수 있을 것이다.

본고에서는 가까운 미래에 중단될 수도 있는 생산에 사용 중인 언더필 재료를 대체할 수 있는 rework이 가능한 언더필 물질의 조사, 식별, 선택, 평가, 테스트 및 품질을 검증하기 위해 수행되었던 접근법 및 프로세스 개선 활동을 요약하였다. 해당 노력의 주요 목적은 현재와 미래의 CCA 설계에서 지금의 적정한 언더필 재료를 대체할 수 있는 하나 이상의 언더필 재료를 식별하는 것이었다. 두 번째 목적은 선정된 대체 언더필 재료를 최소한의 제조 프로세스 및 장비 변경만으로 CCA 설계에 통합할 수 있게 하는 것이었다. 
언더필 재료는 솔더 조인트를 보호하고 제품 신뢰성을 향상시키기 위해 전자 제품 제조 업계에서 널리 사용되고 있다. 표면 실장 에어리어 어레이 패키지(BGA, CGA, LGA, CSP 그리고 비슷한 리드리스 SMT 소자)는 솔더 접합 신뢰성을 향상시키기 위해 언더필 재료를 사용해야 하는 일반적인 패키지 유형이다. 표면 실장 부품 패키지 몸체(또는 다이)와 PWB 표면 패드 사이의 열팽창 계수(CTE) 차이는 솔더 조인트 파손의 원인이 될 수 있다. 이는 이들 유형의 디바이스를 포함한 유닛은 작동하는 환경 조건 하에서의 온도와 기계적 응력에 노출될 때 발생한다. 이러한 조건 하에서의 지속적인 작동은 솔더 조인트에 피로와 파손의 원인이 된다. 솔더 조인트 피로를 야기하고, 고장을 예방하는 기계적인 응력을 줄이기 위해 솔더 조인트 캡슐화 목적으로 언더필 재료들이 사용되고 있다. 언더필의 애플리케이션은 자동화 디스펜싱 시스템으로 부품의 하나 이상의 측면을 따라 재료를 디스펜싱하고, 부품 몸체 아래로 재료가 들어가도록 하는 모세관 힘에 의해 이뤄지는 구조가 전형적이다. 디바이스 하부로 언더필 재료가 흘러들어가면, 부품 패키지와 PWB 사이의 갭을 충진하여 캡슐화되고, 솔더 조인트를 보호한다. 일단 재료가 도포되고 경화되면 CTE의 차이로 인해 발생하는 응력을 분산시켜서 솔더 조인트 피로 및 고장 위험을 감소시키는데 도움을 준다. 그림 1은 BGA 디바이스의 솔더 조인트에서 CTE 불일치로 인해 발생하는 응력을 보여주고 있다.

대체 언더필 후보군의 초기 스크리닝 및 다운-선정 프로세스 
생산라인에서 사용될 수 있는 rework 가능 언더필의 잠재적 교체 후보군을 확인하기 위해 연구 활동을 수행하였다. 여러 접착제 제조업체를 설문 조사하였고, 가능성이 있는 다수의 제품들을 후보군으로 선정하였다. 6개 제조업체의 총 10개의 서로 다른 언더필 재료들을 초기 고려 대상으로 골랐다. 후보군들의 기술 데이터 시트(TDS)를 검토하고 현재의 언더필과 비교하여 재료 특성을 평가하였다. 이러한 초기 평가 후, 추가 검토를 위해 4개의 제조업체로부터 8개의 잠재적인 후보 그룹을 확인하였다.
샘플을 채취하여 수령한 상태(레올로지, 점도 및 포트 수명)와 경화된 물리적 특성(CTE, 모듈러스 및 Tg)을 측정하고 현재의 언더필과 비교했다. 업계 컨소시엄 파트너와의 관계를 활용하고 몇 가지 잠재적 후보군 물질에 관하여 경험과 권장사항을 논의했다. 재료 특성 외에도 언더필 디스펜싱 프로세스와 관련된 다른 요인들을 평가하고 추가 스크리닝 테스트를 수행했다. 프로세스와 rework 평가를 이어가기 위해서 산업 설문조사, 물리적 특성 테스트 및 컨소시엄 파트너 권장 사항의 조합을 통해 잠재적인 교체 언더필 재료 그룹을 4개의 후보군으로 압축하였다. 주요 후보군 4개에 대한 제조업체의 TDS로부터 물리적 속성을 선정하였고, 현 언더필 재료는 표 1에 나타냈다.

테스트 보드 개발 및 방법론 계획
주요 후보군을 확인하자마자 프로세스 개선 및 가속 수명 테스트(ALT, accelerated life testing) 중에 사용하기 위해 4개의 고유한 BGA 디바이스가 포함된 테스트 보드를 설계하고 제작했다. 테스트 보드는 대략 8" × 10"크기와 0.07" 두께의 단면 PWB이었다. ENIG 표면 처리되었고 high Tg 에폭시/글라스 라미네이트를 사용하여 제작되었다. 보드상의 솔더 조인트는 데이지-체인 방식으로 연결되어있어 이벤트 감지기를 사용하여 지속적으로 모니터링할 수 있었다. 테스트 보드는 rework 개발 도구로도 사용되었다.

언더필 후보군의 조달 및 프로세스 개선
BGA 언더필 공정 및 rework 개선을 수행을 목적으로 최고의 언더필 후보 재료들을 조달받았다. 리드 타임(lead time), 비용 및 기타 요인들을 조달 단계 동안에 평가하였다. 예를 들어, 일부 재료는 대용량 실린지 타입으로만 사용이 가능하며 우리가 선호하는 실린지 크기로 하기 위해서는 제 3자에 의해 다시 패키징되어야만 했다. 이로 인해 추가적인 비용, 리드 타임, 취급 및 위험이 발생할 수 있다. 리드 타임이 지나치게 길어서 후보군 일부 제품들이 추가 평가에서 제외시켰다. 잠재적인 교체 재료들이 안정적으로 조달받은 다음 단계는 새로운 언더필에 관한 디스펜싱 파라미터를 정의하는 것이다.
주 목적은 동일한 디스펜싱 방법론(장비 및 공정)을 사용하고 가능한 현재의 언더필 프로세싱과의 일관성을 유지하는 것이다. 이점을 염두에 두고 포지티브 변위 밸브가 장착된 프로그래밍이 가능한 디스펜싱 시스템을 이용해 모든 언더필 재료를 디스펜싱하였다. 예비 디스펜싱 파라미터를 결정하기 위해 TDS(기술 데이터 시트)와 후보군 언더필의 물리적 속성을 현재의 언더필 재료와 비교하였다. 목표는 공정 변경을 최소화하면서 새로운 언더필 재료들을 디스펜싱 작업에 통합하는 것이었다. 지금의 언더필 재료에 사용된 유속(FR) 범위를 일치시킴으로써 이뤄냈다. 이 방법에는 현재 밸브 설정(바늘 크기/유형, 가속 및 역방향 속도)을 적용하였고, 유일한 변수로 밸브 포워드 속도(valve forward speed)를 설정했다. 포워드 밸브 속도는 원하는 유속(FR) 범주를 얻을 때까지 언더필 후보군 각각에 대해 조정하였다. 결과를 입증하기 위해 여러 번의 반복 작업을 수행하였고, 확인된 유속 측정은 원하는 범주 내에서 하였고, 그런 다음에 각 후보 언더필용 주요 디스펜싱 파라미터를 설정하였다.

정의된 주요 디스펜싱 설정을 이용해, 선택한 4개의 BGA 패키지를 사용하여 언더필 프로세스 개선을 계속 진행하였다. 주문 제작된 픽스쳐를 사용하여 총 언더필 체적, 경로의 수(the number of passes), 경로와 니들 오프셋 간의 지연을 포함한 초기 디스펜싱 레시피에 대한 파라미터를 결정했다. 초기 디스펜싱 레시피는 각 BGA 패키지 및 후보군 언더필 조합으로 개선시켰다. 테스트 보드에 납땜된 BGA는 이러한 레시피를 사용하여 언더필되고 경화되었다. 경화된 시편은 횡단면 및 음파 현미경 검사를 위해 제공하였다. 몇 차례의 반복 작업을 완료하고 횡단면된 시편을 각 BGA-언더필 조합에 있어서 최종 디스펜싱 레시피를 선정하기 위해 해당 BGA 언더필 기준에 따라 평가하였다. 그림 4는 횡단면되고 음파 현미경를 실시한 이미지의 언더필 된 BGA 디바이스를 보여주고 있다.
프로세싱용 BGA 언더필 레시피에는 디스펜싱 밸브 유형, 역방향 속도, 가속도, 니들 게이지, 장치 오프셋, 디스펜싱 모드, 기판 온도 및 경화 온도 등의 파라미터를 포함시켰다. 이들 파라미터는 언더필 디스펜싱 프로세스에 맞춰졌다. 나머지 파라미터는 고유한 각 유체/BGA 패키지 조합이고, 표 3의 내용으로 하였다.

모든 BGA 디바이스와 언더필 후보군에 관한 언더필 레시피가 완료되면 프로젝트에서는 각 후보군 언더필의 rework 능력을 평가하면서 계속하였다. 열풍 BGA rework 시스템을 언더필 BGA를 제거하고 교체하는데 사용하였다. 적용 절차에 따라 어셈블리된 제품을 열 프로파일을 적용하여 어셈블리된 보드를 구웠다. 그림 5는 BGA를 제거하고 교체하는 기본 단계와 열풍 rework 시스템의 일반적인 설정을 보여주고 있다.

언더필 BGA를 제거하고 교체한 후 각 후보군 언더필 재료의 rework 능력을 질적으로 평가했다. 표 4에서는 고려해야 할 몇 가지 요소를 보여주고 있다.
프로세스 개선과 rework 성능의 결과를 바탕으로 후보 재료 목록에서 가속 수명 테스트(ALT)의 대상이 되는 2개의 최종 후보군(재료 E와 재료 G)으로 압축하였다. 다운 선정 프로세스는 그림 7에서 설명하고 있다.

안정성 비교를 위한 가속 수명 테스트(ALT)   
초기 10개의 언더필 후보군 재료로 간추린 이후, 우리의 프로세스 및 rework 평가에서는 가속 수명 테스트(ALT), Supplier 3의 Material E와 Supplier 4의 Material G를 최종 언더필 후보 2개로 산출했다. 테스트 매트릭스는 온도 사이클링을 통해 이들 언더필 재료를 검증하도록 개선되었고, 제어 기준으로써 현재 승인된 언더필 재료를 포함시켰다. 해당 매트릭스에는 2개의 서로 다른 제조 현장에서 언더필 및 rework 된 BGA 디바이스를 지닌 여러 CCA가 포함시켰다. ALT 테스트는 실패 분석 및 데이터 분석을 수행하여 최종 후보 언더필 물질 2개 중 하나가 현재 적격 언더필 물질의 대체물로 사용될 수 있는지 판단하는 자료로 사용하였다.

요약

이번의 테스트는 공급이 중단될 수도 있는 현재 사용하고 있는 언더필 교체를 위해 rework 가능한 언더필 재료를 다운-선정하고 확인하는데 도움이 되었다. 2016년 기준 최종 결과를 얻지는 못했지만 Supplier 3과 Supplier 4에서 공급한 Material이 가속 수명 테스트(ALT)에서 좋은 결과를 보일 것으로 예상한다. 이들 새로운 재료를 BGA 언더필 디스펜싱 공정에 적용하기 위해 다양한 접착제 제조업체의 사용 가능한 언더필 재료를 조사하는 프로젝트 방법론이 완전히 개발 및 검증되었다. 평가 프로세스에는 현재의 언더필 재료에 대한 신소재의 호환성 평가뿐만 아니라 성능 비교를 위한 테스트 보드의 설계 및 제작이 포함되었다. 프로세스 및 rework 개선, rework 가능 언더필 후보군을 선택하는 방법은 유사한 재료 및 프로세스를 평가하는 데 사용할 수 있다. 배운 교훈은 많으며 재료 단종의 제약 대상이 될 수도 있는 제품 검증을 위해 대체 재료 평가 접근법이 일반적으로 공통의 시각이다.