전형적인 솔더링 테크놀로지만을 이용하여 새로운 애플리케이션을 실현하는 것은 점점 더 어려워지기 시작했다. 그래서 초음파 본딩을 지원하는 테크놀로지, ACF, ACP 및 다른 다양한 본딩 방법이 필요하다. 임베디드 부품 테크놀로지를 이용한 애플리케이션의 발전은 이제 막 출발단계이지만, 시장과 고객의 요구는 매우 높다. 이에 대응하기 위해 향후 최첨단 기술발전과 임베디드 부품 모듈 보드 향상을 염두에 두고 있어야 한다. 

배경                           

오늘날 포터블 디바이스의 더 많은 다기능화는 더 작고, 가벼우며 얇은 전자부품을 요구하고 있다. 패키지 소형화 발전은 평판 구조(SiP : System in Package) ⇒ 실리콘 칩 적층 구조(CoC : Chip on Chip) ⇒ 패키지 적층 구조(PoP : Package on Package) ⇒ 칩 접촉을 통한 Si 구조로 진행되었고, 테크놀로지는 2차원에서 고밀도 패키지를 달성하는 3차원 패키징 구조로 나아가고 있다. PCB 및 자체 패치징의 트렌드는 그림 1에서 보여주고 있다. PCB 사이에서 3차원 집적 PCB(이하 ‘임베디드 부품 모듈 보드’)가 큰 주목을 끌고 있다.
부품 임베디드는 배선 간의 시그널 와이어링의 단축, 댐핑 레지스터(damping resistors)의 감소 그리고 특성 임피던스 제어(characteristic impedance controls)의 제거와 같은 전기적인 이점을 제공하는 표면에 실장된 LSI 바로 밑에 수동부품을 직접적으로 위치할 수 있도록 한다. 임베디드 부품 모듈 보드는 비디오 카메라의 고성능화, 무선 이동통신 디바이스 소형화에 채택되어 오고 있다. 이 보드의 사용이 오토모티브, 일반 가전기기, 산업용 설비 및 인프라 설비 등을 포함한 폭 넓은 영역으로 확산되리라 기대된다. 이들 업종의 요구를 충족시키기 위해 패키지 및 다양한 부품과 LSI를 임베디드 하는 테크놀로지가 요구될 것이다. 본고에서는 임베디딩 부품의 방법, 솔더링 테크놀로지, 생산 방법, 신뢰성 그리고 임베디드 부품 모듈 보드의 예를 설명할 것이다.

임베디드 모듈 보드에 부품 집적하기     

능동부품 임베디딩       
능동부품을 임베디딩하는 방법은 2가지가 있다. 하나는 베어 칩 형태로 부품을 임베디드하는 것이고, 다른 하나는 임베디딩에 앞서 패키지에 부품을 프로세스하는 것이다. 품질 및 수율의 안정성을 고려하여, 우리는 W-CSP(Wafer-Level Chip Size Package) 후자의 방법으로 결정하였다. W-CSP의 퀄리티를 보장하는 검사 그리고 KGD(Known Good Die)를 이루는 것은 논외로 할 것이다.

수동부품 임베디드   
                 
수동부품(C, R, L)은 보드의 제조 프로세스 공정 중 이들을 넣거나 혹은 상용가능한 칩 부품을 내장함으로써 임베디드될 수 있다. 전자의 방법으로 특성을 보장하기가 어렵다. 게다가 제조공정의 제약으로 인해 요구된 특성을 얻을 수 없다. 예를 들면, 요구된 커패시턴스는 적재층 영역의 확대 혹은 적재된 레이어 수 늘림으로써 얻을 수 있지만 소형화 및 박형화의 목적에서 벗어날 수 있다. 대조적으로, 후자의 방법은 특성이 보증되고 상용적으로 사용이 가능한 일반 범용 부품을 이용하여 신뢰성을 보장한다. 우리는 후자의 방법 적용을 선택했다.

임베디드 부품의 사이즈     
   
임베디드 될 수 있는 부품의 사이즈는 0402, 0603 및 1005이다. 그러나 0402, 0603 및 1005 사이즈 부품들이 동일한 레이어에 혼용된다면, 내부 보드 두께는 1005 부품이 적용될 때와 동일하게 될 것이다. 동일한 레이어 내에 0603 및 1005 사이즈 칩들이 혼용된 임베디드 부품 모듈 보드의 종단면 모습은 그림 2에서 보여주고 있다. 최근 생산 애플리케이션이 증가하기 때문에, 1㎌ 보다 더 큰 커패시턴스를 처리할 수 있는 1005 사이즈 부품들이 점차적으로 증진되고 있다.
박막 디바이스를 실현할 때 부품 두께가 장애물이다. 제조업체들은 큰 용량과 낮은 프로파일 모두를 충족시키는 부품 개발에 노력하고 있다. 현재 0603 사이즈 부품이 적용된 두께와 비교하여 1005 사이즈 부품들 제조가 가능하다.

임베디드 부품 모듈 보드를 위한 솔더링 테크놀로지                      

W-CSP와 칩 부품을 동시에 실장하기 위해, 무연 솔더를 이용하여 리플로우 솔더링이 적용되었다. 이 솔더링 방법의 이점은 다음과 같다.
▶ 기존 프로세스의 확장과 신규 설비가 필요치 않다.
▶ 기존 부품들을 활용할 수 있다.
▶ LSI 및 수동부품이 동시에 실장될 수 있다.

부품 실장 테크놀로지는 Nagano OKI과 협력하여 진행되었다. 솔더 프린팅 머신, 마운터, 리플로우 오븐 및 검사기로 구성된 집적화 라인이 구축되었고, 생산 시스템이 수립되었다(라인은 회로보드 제조와 동일한 작업 사이즈를 처리할 수 있는 능력을 가졌다). 마운팅 밀도는 표면실장과 동일한 레벨로 하였다.

임베디드 부품 모듈 보드 제조          

임베디드 부품 모듈 보드(4층 보드 예)의 제조 공정은 그림 3에서 보여주고 있다. 포토그래픽 방법을 사용하여, 동박 회로는 2층 보드의 양면에 형성되었다. 솔더 페이스트 프린팅 이후, 리플로우 솔더링이 부품 실장에 이용되었고, 이후 플럭스 잔사 클리닝이 이어졌다. 실장된 보드는 샌드위치처럼 되고, 프리프레그 및 동박 사이에서 라미네이트되고, 그런 후에 열이 가해져 본드되었다. 본딩을 위해 압력이 가해지는 동안, 부품이 받을 스트레스를 피하기 위해 프리프레그 두께를 선정할 때 부품의 높이가 고려되어야 한다. 그 후, 표면실장 프로세스는 일반적인 PCB의 제조 프로세스와 동일하다.
우리는 소형화 제안, PCB 디자인, 보드 제조, 부품 어셈블리 및 사양에 기반 한 제품 검사 등을 포함한 원스톱 서비스를 제공하고 고객에 의한 다른 정보도 제공한다.
 

임베디드 부품 모듈 보드의 신뢰성       

표면실장과 임베디드 부품 보드의 신뢰성 비교   
                   
온도 사이클 테스트 결과에 따르면, W-CSP 임베디드가 표면실장 보드의 수명의 2배 이상이라고 밝혀졌다. 하부에 평가된 결과를 설명하고 있다. 전용 TEG(Test Element Group)를 이용하여, W-CSP 임베디드된 보드와 칩 부품 보드가 제조되었다. W-CSP 임베디드는 6㎟, 0.5㎜ 피치로 되었고 112 단자로 되었다. 칩 부품은 0603 사이즈 레지스터가 사용되었다. 온도 변화 측정을 위해 룸 온도를 -25℃/9min ? 125℃/9min으로 운용했다. 결과적으로 W-CSP가 파괴되고 50% 불량비율을 기록한 시간은 표면실장보다 2배 이상으로 길었다.
다음으로, 칩 레지스터가 표면실장된 칩 레지스터의 보드와 임베디드 부품의 또 다른 보드를 준비했다. 이들의 길이 18%의 지점에서 push-bending 테스트가 실시되었다. 각 보드에 직렬로 접촉된 0603 칩 레지스터의 수는 312개이다. 레지스터 내 변화가 보였고, 결과는 그림 4에서 보여주고 있다.

표면실장된 보드는 7번째 벤딩에서 저항의 증가를 보여주기 시작했고, 10번째에서 완벽하게 파괴되었다. 임베디드 보드는 심지어 12번째 벤딩 후에도 저항의 변화를 보이지 않았다. 임베디드 보드가 벤딩에 있어서 표면실장 보드에 비해 더 높은 실장 신뢰성을 지니고 있음을 확인했다. 부품 정션 주위의 레진이 스트레스를 분산하는데 도움을 주기 때문에 신뢰성이 임베디드 보드에서 더 높은 것으로 추측된다.

임베디드 부품 모듈 보드의 신뢰성 테스트 결과                   
신뢰성 테스트의 결과는 표 1에서 보여주고 있다. Drop 테스트의 경우, 150번의 drop 후에도 저항의 변화가 없었고, drop 충격에서 내부 부품의 접촉과 관련하여 어떠한 문제도 없음을 확인하였다. 그림 5에서 drop 테스트를 설명하고 있다.
온도 변화가 임베디드 부품의 특성에 어떠한 영향을 미치는지를 결정하기 위해, 보드는 -65℃ × 30min ? 125℃ × 30min의 테스트 조건으로 실행되었다. 레지스턴스 변화는 전기적 특성의 변화 표시로 지속적으로 측정하였다. 정속온도변화 실험은 그림 6에서 보여주고 있다.

3,000번 사이클에 레지스턴스에 변화가 없었고, 전기적 특성 관련 문제도 관찰되지 않았다. 더욱, 정속온도변화테스트 이후, 샘플 보드의 칩 부품들을 개별적으로 점검하였고, 레지스턴스는 부품 제조업체에서 권장하는 오차범위 내에서 모두 존재하였다.
반복적인 리플로우, HAST, 정전기, 진동 및 리페어 허용범위 등을 포함한 다른 테스트들을 실행했지만, 임베디드 부품 모듈 보드의 신뢰성과 관련된 어떠한 문제도 발견되지 않았다.
앞서 보여준 바와 같이, 임베디드 부품 모듈 보드에 실시된 다양한 신뢰성 테스트의 결과는 동일하거나 혹은 표면실장 보드의 그것보다 더 높다. 해당 부품을 임베디드하는 것은 접합 신뢰성을 낮추지 않는다는 점을 확인했다.
임베디드 부품 모듈 보드의 실 예       

(1) ZigBeeⓡ 모듈    
       
ZigBee 모듈은 네트워크 설정을 위해 다른 모듈과 함께 연결할 수 있는 저전력 RF 모듈 타입이다. 다가온 유비쿼터스 사회에서 중대한 역할을 하는 네트워크의 하나로 기대되고 있다. 임베디드 부품 테크놀로지를 이용함으로써 52㎜×35㎜ 사이즈의 모듈은 15㎜×15㎜(약 1/8 영역)로 감소되었다. 그림 7에서는 ZigBee 무선네트워크 모듈의 발전상황을 보여주고 있다.

(2) 지문인식 모듈   
        
지문인식 모듈은 초경량, 고속, 고정밀, 저전력, 높은 보안성의 올일원 모듈 개념을 달성하는 목표를 두고 개발되었다. 25㎜×23㎜의 초경량 사이즈는 0603 수동부품 임베디드로 이루었다. 제품 요약은 그림 8에서 보여주고 있다.

(3) 콤팩트 IP 카메라 
             
수동부품의 임베디드를 통해 사이즈는 96㎜×50㎜에서 64㎜×50㎜으로 감소되었다. 면적이 거의 33% 줄어든 것이다. 그림 9에서 향상된 콤팩트 IP 카메라의 예를 보여주고 있다.

결론                 

지금까지 해당부품들은 PCB 내의 임베디드시키는 목적으로 제조되지 않았다. 그리고 임베디드 부품의 신뢰성을 확신하는 보고서가 극히 일부였다. 해당 부품의 임베디드 보드에 실행된 OKI의 신뢰성 테스트 결과는 완벽한 성장 가능한 기술임을 보여주고 있다. 게다가 생산제품의 사이즈 감소에 이 기술이 매우 유용함을 증명하였다.
고객들로부터의 요청에 의한 임베디드 부품 모듈 보드를 제조하기 위해, LSI 테크놀로지의 넓은 변화가 필요하다. W-CSP에 해당 부품을 집어넣는 것이 어렵고, 고객들이 부품을 직접 공급할 때보다 배의 노력이 필요하다.
전형적인 솔더링 테크놀로지만을 이용하여 새로운 애플리케이션을 실현하는 것은 점점 더 어려워지기 시작했다. 그래서 초음파 본딩을 지원하는 테크놀로지, ACF, ACP 및 다른 다양한 본딩 방법이 필요하다. 임베디드 부품 테크놀로지를 이용한 애플리케이션의 발전은 이제 막 출발단계이지만, 시장과 고객의 요구는 매우 높다. 이에 응답하여 OKI는 향후 최첨단 기술발전과 임베디드 부품 모듈 보드 향상을 염두에 두고 있다.