Oblique angle view X-Ray 검사기 권장
2차 휨 현상을 감안하여 센터부분 추가 검사 방식유용
POP 테크놀로지와 연관된 주요 산업계 문제들은 오픈 접합, 부품 서브스트레이트의 2차 휨 현상 그리고 PCB 하부와 관련된 이슈들이 있다. 이들 적층 부품들 혹은 상부 실장된 부품만을 rework하는 것이 도전과제가 될 수 있다. 2D X-Ray 검사기를 사용해서 검사할 때 데이터는 해석하기 어려워질 수도 있다. 다층 레벨의 볼 상호배선 및 와이어 본딩이 패키지 내부에서 나타날 수도 있기 때문이다. POP 혹은 적층 패키지를 생산환경으로 구현할 때 발생 가능성이 높은 문제점들을 잘 설명하는 검사 결과를 제시할 것이다.
BGA(Ball Grid Array) 디바이스는 가전기기, 이동통신 및 시스템 기반 사무실을 포함한 방대한 제품군에 폭 넓게 사용되고 있다. Area array형 디바이스는 접근성이 높으면서 높은 패키징 밀도를 제공한다. 지난 몇 년간 엔지니어들은 소위 POP(Package on Package)라고 불리는 유형의 실험을 시작해 왔으며, 일부 경우에는 적층 패키지를 구현하기도 했다. 간단히 말하면, POP 디바이스들은 기본적인 부품 제조 중이나 혹은 PCB 어셈블리 도중에 하나 부품의 상부면에 또 다른 부품을 올리는 부품의 적층을 통해 탄생된다. 이러한 패키지들은 싱글 BGA와 동일한 풋프린트이지만, 상당부문 증대된 성능을 제공한다. 디바이스들 간의 상호배선을 위한 POP 패키징에는 다이렉트 솔더링, 와이어 본딩 혹은 점착성 접착제가 포함될 수도 있다.
POP 테크놀로지와 연관된 주요 산업계 문제들은 오픈 접합, 부품 서브스트레이트의 2차 휨 현상 그리고 PCB 하부와 관련된 이슈들이 있다. 이들 적층 부품들 혹은 상부 실장된 부품만을 rework하는 것이 도전과제가 될 수 있다. 2D X-Ray 검사기를 사용해서 검사할 때 데이터는 해석하기 어려워질 수도 있다. 다층 레벨의 볼 상호배선 및 와이어 본딩이 패키지 내부에서 나타날 수도 있기 때문이다.
본고에서는 패키지 휨의 발생을 극복하기 위해 특별하게 설계된 침지 플럭스와 침지 솔더 페이스트를 활용한 솔더링 적층 패키지와 관련된 프로세스를 알아볼 것이다. 관련된 프로세스 이슈들에 기반을 두고, POP 혹은 적층 패키지를 생산환경으로 구현할 때 발생 가능성이 높은 문제점들을 잘 설명하는 검사 결과를 제시할 것이다.
서문
BGA, CSP는 방대한 범주의 전자기기에 더욱 폭 넓게 사용되기 시작했다. 자체적으로 상호배선이 연결되는 area array형 구조는 높은 패키징 밀도를 제공하면서도 기존 어셈블리 장비를 활용한 생산공정을 구현하기가 비교적 쉽다. 이점에 착안하여, 일부에서는 Package on Package 혹은 POP로 지칭되는 하나의 디바이스 내부에 여러 개의 패키지 적층을 수행하는 실험을 진행해 왔다. 예를 들면, 휴대전화 제조업체들은 총 4층 실리콘 다이를 포함한 2개의 적층 레벨을 지닌 POP 디바이스를 사용해 오고 있다.
간단히 정의된 바와 같이, POP 디바이스는 하나 부품의 상부에 또 다른 하나의 부품을 올리는 area array형 부품의 적층을 의미한다. 일반적인 부품의 제조 혹은 PCB 어셈블리 공정 둘 중 하나에서 이뤄진다. 예를 들면, 하나 이상의 로직 디바이스를 보드 위에 인접하게 메모리 디바이스로 놓는 것 대신에 이들 디바이스를 적층하는 것이 표면적을 덜 차지하지만 약간의 높이 상승을 보인다. 하지만, 첨단 패키지와 실리콘 설계로 인해 박형 웨이퍼와 플립칩 상호배선을 이용한 POP 블록 수립을 더욱 얇게 만들도록 압박하고 있다.
또한, POP 결합이 PCB 어셈블리 도중에 만들어지면, 동일 제품의 기능적 성능에 대한 추가적인 유연성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 보드 어셈블러에게 제조 현장에서 동일한 로직 디바이스로 다양한 크기의 메모리 모듈을 추가할 수 있다. JEDEC 표준지침서에는 하부면(보드에 접촉되는)과 산업계에서 대중적인 사이즈인 12 × 12mm와 14 × 14mm의 POP 상부 패키지 레벨에 대한 데이터가 모두를 존재하며, 시스템 디자이너의 요구에 따라 소형 풋프린트 디바이스를 사용할 수 있게 되었다.
각각의 POP 디바이스에는 디바이스 레이어들 간의 상호배선을 위해 다이렉트 솔더링, 와이어본딩 혹은 전도성 접착제가 포함될 수도 있다. 일반적으로 로직 디바이스는, 메모리 디바이스보다 패키지 외부로 더 많은 연결이 있어야 하기 때문에 모든 적층의 맨 아래에 위치한다. 앞서 설명한 바와 같이, OEM 혹은 협력 업체들은 2개 이상의 디바이스 레이어를 받을 수 있고, 어셈블리 동안에 POP 상호배선뿐만 아니라 보드 상호배선을 형성할 수 있다. 혹은 POP 소자는 직접적인 실장을 위한 개별적인 패키지로써 마치 BGA처럼, 원천 제조사에 의해 이미 결합되었을 수 있다.
산업계 서플라이어들은 POP의 이점들을 다음과 같이 요약하고 있다:
▶ 더욱 빨라진 타임투마킷 생산
▶ 더욱 유연해진 디바이스 선택
▶ 동일 PCB 레이아웃 복잡성이지만 더욱 높아진 밀집도
신규 제품에 POP 디바이스를 넣으려고 고려할 때 디자이너들은 다음의 사항들을 이해해야만 한다:
▶ 패키지 몸체의 최종 높이
▶ 디바이스 도처에 존재한 솔더 볼 사이즈
▶ 디바이스 도처에 존재한 패드 termination 사이즈
▶ 어셈블리 동안 발생하는 전체 POP 구조의 휘어짐 잠재성
모든 이러한 사항들은 고려될 필요가 있다. 리플로우 동안의 오픈 가능성과 디바이스 레이어와 디바이스 레이어 사이의 스탠드오프 높이에 이들이 영향을 끼칠 수 있기 때문이다.
‘자체 제작’ POP 디바이스
특별한 콘퍼런스/쇼를 위한 예비 설계 단계로 적층 패키지 어셈블리를 도식화하였다. 비용 절감을 위해 ‘자체 제작’ POP 패키지를 이용하여 완성했다(그림 1 참조). 게다가 앞서 언급한 디바이스에 요구되는 rework 프로세스와 관련된 영향을 고려하였다. 이로 인해 이 테크놀로지와 관련된 주요 산업계 문제를 직접 목격할 수 있었다. 대두된 문제들은 다음과 같다:
▶ 오픈 조인트
▶ 서브스트레이트의 휨
▶ POP 내부 일부 혹은 전체 단자들을 Rework을 해야 하는 모든 이슈
수정된 디자인 규칙에 따라, 인쇄 보드 상의 데이지-체인 회로들과 적층 패키지 내부를 활용하여 우리는 어셈블리 프로세스 동안의 휘어짐 현상과 오픈 조인트 발생을 조사하기를 희망했다. 자체 제작한 POP 패키지의 레이어들이 두껍게 라미네이트되었지만(제조에 사용되는 대표적인 상업용 제품이 아닌), 테스트 과정에서 접할 수 있는 약간의 전형적인 프로세스 이슈 문제들이 과장되어 나타났다.
실험에서 적용한 어셈블리 과정은 다음의 순서를 따랐다:
1. 솔더페이스트를 회로보드에 인쇄한다.
2. 솔더페이스트의 표면에 바닥 POP 패키지 레벨을 포함한 모든 부품을 놓는다.
3. 플럭스 층 혹은 솔더페이스트에 침전시킨 이후 바닥 레벨 패키지 레이어 위에 2번째 혹은 3번째 레벨 POP 패키지를 올린다.
4. 보드 어셈블리 솔더를 리플로우한다.
이 방법은 특정 POP 패키지가 양쪽 사이드에 빌드될 것이며 보드 디자인의 양 사이드에는 그렇지 않을 것이라고 추정하였다.
솔더페이스트 프린팅
바닥(보드)면 장착 층을 위한 솔더페이스트 프린팅 프로세스는 표면실장 어셈블리의 다른 부품들과 마찬가지로 termination 치수, 패드 사이즈 그리고 디바이스 피치에 의해 규정된다. 현재, 파인피치 스텐실 프린팅은 레이저절단 또는 electro-formed foil을 이용한 스텐실 디자인 단계에서 0.005″~0.004″ 사이 혹은 양쪽의 조합의 사용이 일반적이다. 가격이 낮아짐에 따라 요즘 대부분의 회사들은 Type 4의 페이스트로 전환했지만, 많은 파인피치 애플리케이션에서 여전히 Type 3로 진행되기도 한다. 이는 전적으로 파인피치의 정의에 달려있음을 의미한다.
최하층 POP 패키지의 경우, 다른 파인피치 애플리케이션에 비해 프린팅에 대한 특별한 차이가 없었다. 필요한 것은 100% 페이스트 이송능력을 지닌 프린팅 프로세스의 정교한 컨트롤과 우수한 반복정밀도이다; 기존 BGA 어셈블리에서 요구하는 것과 동일하였다. 이러한 요구사항들은 오늘날 일반적으로 사용되는 SPI 설비 혹은 3차원 솔더 체적 측정 기능을 포함한 개별적인 AOI 검사기를 사용함으로써 확인할 수 있을 것이다.
플레이스먼트와 Second Level Package 딥핑
모든 주요 플레이스먼트 시스템 공급업체들은 표준 BGA 빌드 공정과 큰 차이가 없기 때문에 보드 위의 첫 번째 패키지를 놓을 수 있을 것이다. 전체 POP 패키지/모듈의 플레이스먼트 또한 동일하게 되어야만 한다. 그러나 POP 공정이 보드 어셈블리 업체에 의해 구성되고 진행된다면, 상부 레벨 패키지 플레이스먼트에 있어서 중대하게 컨트롤/핸들링이 재확인되어야 할 것이다. 플레이스먼트 머신 내에서, 정확한 Z축 컨트롤은 보드 이송동안의 보드 진동/충격과 관련한 특정 문제들에서 중요한 부문을 차지할 것이다. 모든 하이엔드 플레이스먼트 시스템들이 요구사항들을 대응할 수 있어야 한다.
플레이스먼트 시스템과 관련되어 일부 문제들이 발생할 수 있는 곳은 플럭스 혹은 페이스트 용 딥핑 모듈과 함께 상위 레벨 패키지를 코팅하는 것이다. 일부 제공업체들이 자동 애플리케이션 설비를 이용한 플립칩 어셈블리의 경험하고 있지만, 모든 업체가 이러한 설비 활용을 제공하지 않는다. 초소형 피더 풋프린트의 페이스트 딥 스테이션의 재설계 혹은 개발이 일부 공급업체들에게 과제로 떠오르고 있다.
딥핑 이후 그리고 플레이스먼트 직전의 디바이스 볼들에 대한 최종 검사 또한 과제가 되고 있다. 기존 플럭스 재질의 색상 때문이다. 플립칩 혹은 현재의 POP 패키지의 경우, 솔더 볼에 플럭스를 도포한 이후 명암 변화가 거의 보이지 않는다. 이로 인해 공급자는 광학 검사를 돕기 위해 재질의 색상을 변경해야 한다.
지금까지 사용되어 온 재질 착색제(material colouring agent)들은 백색, 청색 그리고 적색이었다. 그러나 모든 플레이스먼트 카메라 시스템이 동일한 색상에서 잘 작동하는 것은 아니다. 플럭스에 사용된 착색제 역시 약간 떨어지는 경향이 있다.
솔더 페이스트 딥핑
POP 디바이스의 서로 다른 레벨에 위치한 볼 마운팅 위치 사이에서 발생하는(그림 2 참조) 변형현상을 극복하기 위해 솔더 페이스트 딥핑은 더욱 대중적인 프로세스가 되기 시작했다. 페이스트 사용이 플럭스 이용 시보다 더욱 관대한 프로세스이고 플레이스먼트 이전 단자의 표면 검사가 더 쉽다고 여겨지고 있다.
‘Dip Paste’라는 용어는, 이 애플리케이션의 요구를 충족시키는 특별한 특성을 지닌 페이스트를 설명하기 위해 만들어져 왔다. Dip Paste는 플레이스먼트 플랫폼에서 디바이스의 볼에 직접적으로 적용되었다. 일반적으로, 이를 실행하는 2가지 방법이 있는데, 방법 선택은 플레이스먼트 공급업체에 의존하였다. 사용되는 방법은 액상 플럭스를 적용을 위해 개발된 회전식 도포기(rotary applicator) 혹은 각 플레이스먼트용으로 정의된 Dip Paste의 표면과 두께를 제공하기 위해 개발된 프린팅 블레이드 구조의 평면 테이블 둘 중 하나였다.
도포기 내에서 페이스트의 깊이는 반드시 제어되어야만 하는데, 이유는 페이스트 내부로 디바이스가 깊게 삽입되어야 하기 때문이다. 실험에서는, 솔더 볼을 50% 이상의 높이로 페이스트에 압착을 하면, 솔더 페이스트가 볼 종단 주위로 감싸는 경향이 있어서 픽업하는 페이스트 양이 늘어나는 점을 보여주고 있다. 이는 과도한 페이스트 침전을 초래할 수 있으며, 결국 솔더 쇼트의 가능성 급증을 유발한다.
POP 디바이스를 위한 플레이스먼트 고려사항
리플로우 동안 컨베이어 시스템 내 최소한의 진동이 존재하고 있음을 확인해야 할 필요가 있다. 멀티-레이어 구조의 수직으로 적층된 패키지들은 misplacement로 인한 고통을 받을 일들이 더욱 많아지고 있다. 이러한 점검은 정규적인 프로세스 유지보수 루틴의 일부분으로만 진행되어야 한다. 또한 주의해야만 한다. 랜덤한 진동은 높은 대류율에서 발생할 수도 있고, 리플로우 오븐 내 체인 구간에서 조차도 발생할 수도 있다.
최소한 플레이스먼트 검사 시스템은 볼 위의 페이스트 혹은 플럭스 미싱을 발견할 수 있어야만 한다. 미싱 볼 검출기능이 모든 플레이스먼트 시스템에서 일반적이지만 실제로 요즘에는 거의 발생하지 않는다. 플레이스먼트 시스템은 또한 볼 사이의 페이스트 쇼트를 검출할 수 있어야만 한다.
솔더 볼 간의 페이스트 초과 현상은 다음과 같은 현상을 통해서 발생할 수 있다; 애플리케이션 플레이트로부터 적용된 페이스트의 과다할 경우; 페이스트 내로 솔더 볼의 부정확한 삽입 깊이 혹은 페이스트 점성의 변화. 또한 지역적인 환경, 도포기의 가중 작업 그리고 대기에 노출된 시간으로 인해 dip paste의 특성이 변할 수도 있다.
딥핑 이후 페이스트 표면을 면밀히 검토하는 것은 페이스트 변형의 변화를 관찰하는데 매우 중요하다. 이상적으로는, 액상 플럭스와 같은 경우, 페이스트의 표면에서 임의의 변형이 회복되고, displacement 보이드에 충진하는 것 보다는 도포/교정(spreading/levelling) 블레이드가 재료의 높이를 유지하는 것이다. 페이스트의 깊이는 기계 프로그래밍에 기반을 둔 페이스트 표면을 전체적으로 쓸고 지나가는 계량(metering) 블레이드에 의해 조절된다. 재료의 실제 깊이는 개별 빗살모양이 다른 높이에서 있는 간단한 구조의 빗살 깊이-게이지(comb depth-gauge)로 점검될 수 있다.
플레이스먼트 시스템에서 dip paste를 사용할 때, 패키지 상의 전체 고정력(tack force) 또한 고려되어야만 한다. 페이스트 표면에 접촉하는 볼의 수량이 많아짐에 따라 페이스트의 표면에 패키지를 잡는(holding) 힘도 커질 것이다. 그래서 픽업 툴 영역의 진공 세기 또는 크기는 불량하거나 혹은 불완전한 픽업력을 피하기 위해 변경될 필요가 있다. 페이스트의 표면으로부터의 특정 POP 층의 측면 이동은 플레이스먼트 이전 termination 사이에서 습식 페이스트 쇼트 잠재성을 증가시킬 것이다. 몇 개의 솔더 볼 사이의 페이스트는 리플로우될 때 인접한 termination로 되돌아가는 솔더 젖음특성을 확실하게 확인할 수도 있지만, 쇼트를 형성할 가능성이 더 크다.
점착성 플럭스 딥핑
플럭스 전용 딥핑의 초기 사용(그림 3 참조)은 아마도 플립칩 플레이스먼트로부터 얻은 산업계의 경험 때문일 것이다. 실리콘 제작구조로 인해 리플로우 동안 약간의 패키지 휨(단지 보드만 휘어짐)만 존재하였고, 작은 표면 에어리어와 같은 곳에서 오픈 현상이 나타나지 않았다. 그러나 POP 패키지의 경우, 소형 2개 표면(보드-기본 층, 기본 층-상부 층)이 있고, 서로 서로 다르게 휘어질 수 있다.
플럭스 bath 내 침전의 깊이가 깊어짐에 따라 쇼트를 유발하지 않을 것이다. 그러나 접합 부분 주변에 잔사의 양이 늘어나기 쉽다. 이는 패키지가 이후 언더필이 진행될 때 문제 발생 소지가 있다.
플럭스 혹은 페이스트를 사용하는 방법 중 POP 어셈블리에 어떠한 방법이 선택되든지 간에, 전체 공정에 걸쳐 성공적인 어셈블리 공정에 얼마나 많은 플럭스 혹은 페이스트 양이 필요한지 설정할 필요가 있다. 이러한 방식을 통해, 앞서 언급된 다양한 문제들은 개별 애플리케이션에 맞게 테스트되고 최적화될 수 있다. 그러나 일부 관점에서는 가늠하기가 어려울 수도 있다. 예를 들면, 솔더 볼 상의 액상 플럭스의 양을 결정하기란 매우 어렵지만, 솔더 볼 상의 페이스트 양은 딥핑 이후 패키지 상의 중량 증가에 따라 가늠할 수 있다.
리플로우 솔더링
일반적으로 소형의 얇은 POP 디바이스들은 디바이스와 보드의 표면 위의 온도 차이인 △T를 고려할 때, 리플로우 관점에서 보면 더 낮은 온도를 요구한다. 대류방식 리플로우와 vapour phase 리플로우 양쪽 모두 무연 공정에 성공적으로 동작하고 있다. 그러나 SMT 어셈블리에 대한 모범사례와 마찬가지로, 최적화된 리플로우 프로파일을 확인하기 위한 공정 발전의 일환으로 우수한 온도 프로파일 공정이 수행되어야 한다. 아울러, 대부분의 POP 디바이스들이 플라스틱 패키지 내에 들어 있음으로, 적절한 습도 예방 절차를 유지해야만 팝콘 현상 가능성을 예방할 수 있다.
POP 디바이스의 광학 검사
표준 BGA termination과 마찬가지로 POP 디바이스의 광학 및 X-Ray 검사 모두를 동일한 기본 사항으로 적용하였다. 한쪽 코너에서 검사를 시작해서, 패키지의 소형 양면 주위로 이동하였다. 대부분의 경우, 이 방식은 단순하지만 시간 소모가 많다. 생산라인에서 모든 보드의 모든 디바이스에 적용되기란 현실적이지 않다. 그래서 샘플을 기반으로 수행되어야만 한다. 최초 몇 개의 보드를 초기에 검사하고, 이후 20개 혹은 50개 보드 당 한 개의 보드를 선택해 검사(애플리케이션별 적절하게 조정)하는 방법이 권장되고 있다. POP 디바이스를 사용하면 광학적으로 추가 층을 평가할 필요가 있지만, 검사를 위한 적절한 여유 공간을 확보하여야만 한다. 소형 부품의 인접성 때문에 휴대전화 애플리케이션에 가용하기가 쉽지 않다.
POP 어셈블리의 주요 이슈는 잠재적인 휘어짐 가능성이다. 그래서 코너 및 부품의 centre edge 상의 스탠드오프 높이 측정은 이러한 이슈들을 관찰하기 위해 고려되어야 한다. 레이저 측정 방식의 특징은 일부 AOI 시스템에서 사용될 수 있다.
POP 디바이스의 X-Ray 검사
POP 디바이스의 2D X-Ray 검사는 POP 디바이스 내부 솔더 접합부의 비파괴 품질 분석을 가능하게 한다. BGA의 경우 이상적인 검사패턴은 하나의 코너에서 시작되어서 전체 디바이스 주위로 옮겨가는 것이다. 동일 층의 솔더 볼 간격을 측정했을 때 솔더 볼 직경의 큰 변화는 리플로우 이후의 문제가 존재함을 의미한다. 예를 들면, 솔더 볼은 디바이스의 중앙 지역의 직경이 가장 자리의 그곳과 비교했을 때 더 클 수도 있다. 이 경우, 패키지의 팝콘 현상이 발생된 것을 확인하였다. 솔더 브릿지 현상과 미싱 볼 또한 확연하게 볼 수 있었다.
아울러, X-Ray 검사는 oblique angle view 적용 설비로 진행되어야만 한다. 해당 설비로 보았을 때 리플로우 솔더 접합부의 변화 혹은 접합 외형은 더욱 분명하게 보일 것이다. 예를 들면, 헤드인필로우(HIP) 혹은 오픈, 솔더 접합부(그림 4 참조)들은 보드, 디바이스와 상위 POP 층 사이의 접합 인터페이스와 같은 경우, oblique angle views에서 더욱 잘 보인다.
POP 디바이스의 X-Ray 검사는 표준 BGA의 그것과는 다르다. 모든 디바이스 층이 동일한 시간에 동일한 이미지로 보이기 때문이다. 따라서 예를 들면 위에서 아래로 단순하게 보는 것은 상부 층에 의해 하부 POP 층이 가려지는 것을 의미한다. 이러한 방식으로는 접합부의 레이아웃만을 확인할 수 있다. 다양한 층을 분리하기 위해 oblique angle views를 사용하면 분석에 도움이 되지만, 디바이스 내에 또 다른 솔더 볼의 row에 동시 입사 전에 제한된 각도가 나타날 수도 있다. 적용한 oblique angle views의 이러한 한계가 여전히 나타날 수도 있다. 심지어 다양한 층이 서로 엇갈리게 배치되어 있어도 또한 나타날 수도 있다(그림 5 및 그림 6 참조).
POP 디바이스 X-Ray 이미지를 분석할 때 X-Ray 시스템의 기하학 배율에 따른 영향이 존재한다는 점을 반드시 기억해야만 한다. 즉, 검사 시스템 내의 X-선 튜브에 근접하게 위치한 대상체는 튜브로부터 멀리 떨어진 대상체에 비해 최종 이미지에서 더 큰 배율로 나타난다. 따라서 만약 POP 디바이스에 사용된 솔더 볼이 전체적으로 동일한 사이즈라면, X-선 튜브로부터 멀리 떨어진 레이어가 가까운 레이어보다 더욱 작게 보일 것이다. 이는 어떠한 레벨에서 오류가 발생했는지 식별하는데 도움이 된다. 그러나 상부 레이어 대비 보드 인터페이스에 서로 다른 솔더 볼 직경을 지닌 상업용 POP 디바이스에 일반적이지 않았다. 이 경우, 더 작은 솔더 볼이 더 큰 솔더 볼보다 튜브에 근접하게 있어야만 한다. 그러면 전체 디바이스는 모두 비슷한 사이즈의 솔더 볼을 가지고 있는 것처럼 보일 수도 있다. 따라서 검사 대상 패키지를 고려할 때, 각 플레인 내의 상대적인 볼 사이즈 측정은 일관된 솔더 리플로우가 제대로 되었는지를 확인하는데 도움을 줄 수 있다. POP의 동일한 레이어 내의 솔더 볼의 측정 변화는 레이어 간의 휘어짐 존재를 나타낼 수 있다. 이러한 유형의 검사를 다른 레이어에 반복하는 것도 가능하지만 시간이 많이 소요된다.
2D 시스템과 달리 라미노그래픽 X-Ray 시스템은, 이론적으로, 관심 있는 레이어를 제외한 모든 영역의 FOV를 제거함으로써 POP 디바이스의 다양한 레이어를 구별할 수 있다. 그러나 이들 라미노그래픽 시스템의 수직 해상도는 POP 디바이스 내의 다양한 레이어를 분리하는데 충분하지 않을 수도 있다. 게다가 이 라미노그래픽 이미지 레이어 생성 방법은 이용 가능한 분석 정보를 손상시킬 수 있는 열악한 이미지 품질을 초래할 수도 있다.
이러한 접근법을 사용하는 것은 생산라인에 활용하기 전에 평가되고 검증되어야할 필요가 있다. 본고의 결과에 의해 나타난 것처럼, 2D X-선 이미지 및 이 확인으로부터 다른 레벨의 볼 사이즈 측정이 가능할 수도 있거나 혹은 패키지의 스탠드-오프 높이를 적어도 인식할 수 있을 것이다. 패키지의 모서리와 중심에서 다를 경우, 디바이스 내 서로 다른 레이어의 휘어짐 가능성을 나타내기 때문이다.
다른 예로써, 각 레이어 상 동일한 피치를 지닌 모든 볼로 특색 지을 수도 있다. 이는 필러 혹은 소시지 현상(그림 7 참조)와 같이 그룹 내에서 보이는 분리된 레이어 간의 접합을 가진 것과 같은 X-Ray 이미지를 보여준다. 다른 피치로 로직 디바이스와 메모리 패키지로 되어 있기에, 볼 termination들이 분리되지만 모든 시야각에서 그렇지는 않다.
Rework and Repair
POP 디바이스의 Rework과 Repair 작업이 어려울 수 있지만 rework되는 작업에 따라 다르다. 전체 디바이스가 2개 이상의 에어리어 어레이 레벨로 되어 있고, 레이어들 사이에 언더필이 없는 곳의 POP 제거와 재배치가 필요하다면, 어려운 점은 어떠한 레이어에 열을 가해야 하고, 어떠한 레이어를 리플로우해야 하는지를 고려하는 것이다. 정확한 레이어인가? 예를 들면, 상하부 가열을 활용하는 rework 작업 중, 솔더 볼의 초기 리플로우는 다른 레이어에서 발생할 수 있지만, 다른 레이어 상의 다른 볼에서도 나타날 수 있다. 서로 다른 열 수용력(thermal demand)과 각 상호접합물에 이르는 서로 다른 열 경로에 의해 리플로우 확산이 초래될 것이다.
패키지 공급업체들은 217~221℃에서 리플로우하는 SnAgCu계의 볼을 하나의 패키지로 그리고 또 다른 227℃에서 리플로우하는 SnCuNi 계를 가지고 있다. 상부 레이어 리플로우를 위해 패키지 가해지는 열을 제어하지만 하부는 문제가 되기도 하며, 심지어 상부면 가열만 사용되기도 한다. 공급업체들은 상부 패키지 혹은 전체 모듈을 들어 올리는데 도움을 주는 클램핑 시스템을 소개하고 있다.
개별 레이어들이 공급될 때 본드/언더필되었다면, 제거 및 재배치는 기존 에어리어 어레이 리플로우 방식과 매우 흡사하다. 그러나 언더필 소재 내 보이드가 존재한다면, 디바이스를 리플로우해야 하고, 레이어 사이 오픈 혹은 쇼트가 나타날 가능성이 있다. 그래서 rework 작업 이후 X-Ray 검사기를 통해서 접합상태를 확인하는 것이 중요하다.
POP 어셈블리와 솔더링 프로세스 불량들
POP 어셈블리에서 발생할 수 있는 여러 가능한 특정 불량들은 다음과 같다:
▶ 오픈 ▶ 솔더 볼링 ▶ 패키지 휘어짐
▶ 과다 페이스트 ▶ 페이스트 부족 ▶ 과다 플럭스
▶ BGA 보이드 ▶ 패키지 크랙 ▶ 솔더 마스크 데미지
▶ 마스크 미스얼라인먼트
POP 디바이스 내 솔더 볼 X-선 분석
X-선 검사는 다른 POP 레이어 사이의 FOV 오버랩을 고려하여 특정 쇼트와 missing ball을 명확하게 볼 수 있을 것이다. 그러나 oblique angle view의 X-Ray 시스템, 특히 oblique angle로 볼 때 배율에 지장을 주지 않는 시스템을 사용하면, 개별 레이어의 더 나은 분석이 가능하도록 여러 레이어들의 FOV 분리를 할 수 있다(그림 8 참조). 그림 8에서는 POP 디바이스 내 2개의 다른 레벨에서 동일 사이즈의 솔더 볼 위의 기하학적 배율(geometric magnification)의 이미지 영향(다른 사이즈를 나타내고 있는)뿐만 아니라 다른 레이어 사이에 어떻게 인터페이스 되었는지(솔더 볼 내에 ‘숨어 있는’ 희미하게 타원형으로 보이는)를 보여주고 있다. 그러나 이 이미지는 예를 들어, 솔더 볼이 다음 번 레이어와 일치하기 시작할 때 너무 큰 oblique angle view는 사용될 수 없음을 또한 보여주고 있다. 디바이스의 리플로우 이전에 촬영된 영상이기 때문에, 표준 솔더 페이스트와 dip paste에 사용된 솔더 파티클 사이즈의 차이를 보여주고 있다.
그림 8에서 솔더 볼이 다른 사이즈로 보이는 이유는 그림 9에서 볼 수 있듯이 POP 디바이스의 회로도를 감안하면 쉽게 이해할 수 있다. 솔더 볼은 0.75mm 직경이고 PCB 레이어 간격은 1.2mm 두께였다.
X-Ray 검사 시스템 내에서 보이는 기하학적 배율(geometric magnification)은 거리(X-선 튜브 포컬 스팟에서 디텍터까지, ‘A’로 표시)를 거리(X-선 튜브 포컬 스팟에서 샘플까지, ‘a’로 표시)로 나눈 비율이다. 따라서 ‘A’ 거리가 상수 값으로 유지된다면, 시각이 위에서 아래로 이든 아니면 경사각이든 상관없이 늘어난 거리 ‘a’는 이미지의 배율을 줄일 것이다. POP 레이어들 사이의 이처럼 커다란 상대적인 거리가 있다면, 2개 레벨의 배율 차이가 명확해진다. 오블리크 뷰에서, 2개 레이어 간의 상대적인 배율 차이는 동일하게 유지되지만, 그들 값의 크기는 톱-다운 시각과 비교해 줄어든다. X-선이 통과해야만 경로 길이가 더 길어졌기 때문이다. 즉, 양쪽 패키지 레벨에서 전체 배율이 낮추는 늘어난 ‘a’ 값이 존재한다.
그림 10에서는 전형적인 POP 디바이스에서 기하학적 배율이 미치는 영향을 보여주고 있다. 이 경우, 그림 7에서 보여준 바와 같이 디바이스는 각각의 두께 50미크론, 200미크론의 솔더 범프 인터커넥션이 형성된 실리콘 기반 4층으로 제작되었다. 여러 레이어들이 그림 9에 비해 훨씬 가깝기 때문에 하부와 상부 레이어 간 배율의 변화는 훨씬 적다. 이 일관적인 효과는 디바이스가 놓인 트레이 및 보드가 그림 10에 보여준 것 보다 더 두꺼우면 향후에 도움이 된다. 이는 보드/트레이 사이즈가 증가함에 따라 디바이스의 상부와 하부 레이어 사이의 상대적인 차이가 얇은 패키지의 경우에 덜 중요하기 때문이다.
가장 일반적으로 사용 가능한 비파괴 방법(POP 디바이스의 여러 레이어들 및 프로브 자체 여러 인터커넥션들을 관통해서 볼 수 있는)인 X-Ray 검사를 이용해서, 생산 중 추가 불량 원인을 규명하는데 도움을 줄 수 있는 X-선 이미지를 활용하여 분석이 가능할까? 실제로, 디바이스 내부 휘어짐을 확인할 수 있는 간단한 측정이 수행될 수 있을까?
X-선 이미지로 특정 분석을 실행하기 전에, 사선 각도 대신에 샘플이 X-선 튜브와 디텍터 위상이 수직(즉, 상하부 관점)으로 형성될 때 이상적으로, 이러한 측정이 이뤄질 수 있다는 점을 기억해야만 한다. 이는 X-선 튜브가 방사선의 점선원이고, 따라서 디텍터에서 볼 때 총신 구조의 왜곡에 의해 영향을 받기 때문이다. 즉, 디텍터의 중심에서 더욱 멀리 떨어져 있으면, 더 많은 총신 구조의 왜곡이 발생할 것이고, 큰 대상체의 경우에는 더욱 눈에 띌 것이다. 이는 사용된 FOV와 배율 측면에서 일관성 있게 측정을 실행함으로써 설명될 수 있다. 그러나 oblique angle view로 측정을 실시한다면, 각도의 작은 변화는 측정의 정밀도에 큰 영향을 미칠 수 있다. 특히 측정물이 이미지 중심으로부터 멀리 떨어질수록 더욱 그렇다. 전반적으로, top-down view 방식의 측정과 디바이스 내부 특정 휘어짐 조사의 방법으로써 절대 수치가 아닌 상대적인 수치로 모든 이들 측정을 처리하는 것이 낫을 수 있다.
실험과 앞서 언급한 의견을 고려하여 동일한 배율과 하향식 FOV가 전체적으로 사용되도록 하였다. 그림 11에서는 촬영된 영상을 보여주고 있다. Dage X-Ray 시스템의 온-스크린 측정 기능을 활용하면, 거리 측정은 상부와 하부 레이어 솔더 볼의 중첩으로 형성된 영상의 가장 긴 위상을 따른 라인 가동을 통해 이뤄진다. 디바이스의 각 가장자리에 위치한 4곳에서 반복된다. 고 배율 이미지들이 사용하여 측정 거리에 우수한 픽셀 수가 존재하게 된다. 디바이스의 각 가장자리에 위치한 4개의 측정점은 평균값을 내고, 각 코너의 값과 비교했다. 그림 11에서 사용된 실제 디바이스의 경우, 상호연결 레이아웃이 그 위치에서 보드 접합을 가지고 있지 않았기 때문에 하나의 가장자리는 3개의 측정을 제공하기만 했다.
촬상된 데이터의 예를 표 1에서 보여주고 있다. 이 예들에서, 디바이스의 중앙을 촬영한 어떠한 측정도 없었다. 평균 측정 값을 내고, 4개의 가장자리 부문을 비교함으로써, 디바이스 내부 특정 휘어짐의 유무를 파악하는 명확하고 단순한 방법이 될 것이다. 이들 디바이스의 자동검사를 위한 향후의 합격 혹은 실패 기준으로 사용될 수 있는 ‘왜곡’ 수준의 값의 식별을 가능하게 할 수도 있다. 예를 들면, 표 1의 결과들은 나타내고 있다. 디바이스의 4개 가장자리에서 만들어진 측정의 평균 데이터의 표준 편차는 ~1.5%이다. 따라서 이 값이 5%를 초과하면, 예를 들어 POP 디바이스 내부 허용할 수 없는 휘어짐을 의미할 수도 있다.
결론
POP 디바이스의 X-Ray 검사 동안 분석을 실시하는 것은 다양한 패키지 레이어 내부 솔더 접합의 품질을 빠르게 확인하는 수단을 제공할 뿐만 아니라 스탠드오프 높이 변수가 디바이스 성능에 영향을 줄 수 있는 잠재적인 임의의 휘어짐 역시 표시할 것이다. 측정 처리량의 속도를 감안하여 전체 샘플을 여러 번 측정하는 방법이 유리할 수도 있다. 디바이스의 가장자리뿐만 아니라 중앙 부분을 추가적인 측정을 하는 것은 또한 유용할 수도 있다.
