박형 package-on-package의 상부 패키지와 하부 패키지에 대하여 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)에 따른 warpage 특성을 분석하였다. 또한 동일한 EMC로 몰딩한 패키지들의 warpage 편차를 측정하고 박형 상부 기판과 하부 기판 자체의 warpage 편차를 측정함으로서, 박형 패키지에서 warpage 편차를 유발하는 원인을 분석하였다. 박형 기판을 사용한 상부 및 하부 패키지에서는 기판 자체의 큰 warpage 편차에 기인하여 EMC의 물성이 패키지의 warpage에 미치는 영향을 규명하는 것이 어려웠다. EMC의 몰딩 면적이 $13mm{\times}13mm$로 기판($14mm{\times}14mm$)의 대부분을 차지하는 상부 패키지에서는 온도에 따른 warpage의 변화 거동이 유사하였다. 반면에 EMC의 몰딩 면적이 $8mm{\times}8mm$인 하부 패키지의 경우에는 (+) warpage와 (-) warpage가 한 시편에 모두 존재하는 복합적인 warpage 거동에 기인하여 동일한 EMC로 몰딩한 패키지들에서도 상이한 온도-warpage 거동이 측정되었다.
Due to the inherently poor adhesion strength of Cu-based leadframe/EMC (Epoxy Molding Compound) interface, popcorn cracking of thin plastic packages frequently occurs during the solder reflow process. In the present work, in order to enhance the adhesion strength of Cu-based leadframe/EMC interface, black-oxide layer was formed on the leadframe surface by chemical oxidation of leadframe, and then oxidized leadframe sheets were molded with EMC and machined to form SDCB (Sandwiched Double-Cantilever Beam) and SBN (Sandwiched Brazil-Nut) specimens. SDCB and SBN specimens were designed to measure the adhesion strength between leadframe and EMC in terms of critical energy-release rate under quasi-Mode I ($G_{IC}$ ) and mixed Mode loading ($G_{C}$ /) conditions, respectively. Results showed that black-oxide treatment of Cu-based leadframe initially introduced pebble-like X$C_2$O crystals with smooth facets on its surface, and after the full growth of $Cu_2$O layer, acicular CuO crystals were formed atop of the $Cu_2$O layer. According to the result of SDCB test, $Cu_2$O crystals on the leadframe surface did not increase ($G_{IC}$), however, acicular CuO crystals on the $Cu_2$O layer enhanced $G_{IC}$ considerably. The main reason for the adhesion improvement seems to be associated with the adhesion of CuO to EMC by mechanical interlocking mechanism. On the other hand, as the Mode II component increased, $G_{C}$ was increased, and when the phase angle was -34$^{\circ}$, crack Kinking into EMC was occured.d.
The curing characteristics of naphthalene type epoxy resin systems according to the change of curing agent were investigated to develop a new next-generation EMC(Epoxy Molding Compound) with excellent warpage characteristics, low thermal expansion, and excellent fluidity for WLP(Wafer Level Package). As epoxy resins, DGEBA, which are representative bisphenol type epoxy resins, NE-16, which are the base resins of naphthalene type epoxy resins, and NET-OH, NET-MA, and NET-Epoxy resins newly synthesized based on NE-16 were used. As a curing agent, DDM (Diamino Diphenyl Methane) and CBN resin with naphthalene moiety were used. The curing reaction characteristics of these epoxy resin systems with curing agents were analyzed through thermal analysis experiments. In terms of curing reaction mechanism, DGEBA and NET-OH resin systems follow the nth curing reaction mechanism, and NE-16, NET-MA and NET-Epoxy resin systems follow the autocatalytic curing reaction mechanism in the case of epoxy resin systems using DDM as curing agent. On the other hand, it was found that all of them showed the nth curing reaction mechanism in the case of epoxy resin systems using CBN as the curing agent. Comparing the curing reaction rate, the epoxy resin systems using CBN as the curing agent showed a faster curing reaction rate than them with DDM as a hardener in the case of DGEBA and NET-OH epoxy resin systems following the same nth curing reaction mechanism, and the epoxy resin systems with a different curing mechanism using CBN as a curing agent showed a faster curing reaction rate than DDM hardener systems except for the NE-16 epoxy resin system. These reasons were comparatively explained using the reaction rate parameters obtained through thermal analysis experiments. Based on these results, low thermal expansion, warpage reduction, and curing reaction rate in the epoxy resin systems can be improved by using CBN curing agent with a naphthalene moiety.
In MEMS (Micro-Electro-Mechanical System), packaging induced stress or stress induced structure deformation becomes increasing concerns since it directly affects the performance of the device. In the decoupled vibratory MEMS gyroscope, the main factor that determines the yield rate is the frequency difference between the sensing and driving modes. The gyroscope, packaged using the anodic bonding at the wafer level and EMC (epoxy molding compound) molding, has a deformation of MEMS structure caused by thermal expansion mismatch. This effect results in large distribution in the frequency difference, and thereby a lower yield rate. To improve the yield rate we propose a packaged SiOG (Silicon On Glass) process technology. It uses a silicon wafer and two glass wafers to minimize the wafer warpage. Thus the warpage of the wafer is greatly reduced and the frequency difference is more uniformly distributed. In addition. in order to increase robustness of the structure against deformation caused by EMC molding, a 'crab-leg' type spring is replaced with a semi-folded spring. The results show that the frequency shift is greatly reduced after applying the semi-folded spring. Therefore we can achieve a more robust vibratory MEMS gyroscope with a higher yield rate.
Copper-based leadframe sheets were oxidized in a hot alkaline solution to form brown-oxide layer on the surface and molded with epoxy molding compound (EMC). The brown-oxide-coated leadframe/EMC joints were machined to form sandwiched double-cantilever beam (SDCB) specimens and sandwiched Brazil-nut (SBN) specimens for the purpose of measuring the fracture toughness of leadframe/EMC interfaces. The SDCB and the SBN specimens were designed to measure the fracture toughness of the leadframe/EMC interfaces under nearly mode-I loading and mixed-mode (mode I + mode II) loading conditions, respectively. Fracture surfaces were analyzed by various equipment such as glancing-angle XRD, SEM, AES, EDS and AFM to elucidate failure path. Results showed that failure occurred irregularly in the SDCB specimens, and oxidation time of 2 minutes divided the types of irregular failures into two classes. The failure in the SBN specimens was quite different from that in the SDCB specimens. The failure path in the SBN specimens was not dependent on the phase angle as well as the distance from tips of pre-cracks.
A copper based leadframe was oxidized in brown-oxide forming solution, then the growth characteristics of brown oxide and the effect of brown-oxide formation on the adhesion strength of leadframe to epoxy molding compound (EMC) were studied by using sandwiched double cantilever beam (SDCB) specimens. The brown oxide is composed of fine acicular CuO, and its thickness increased up to ~150 nm within 2 minutes and saturated. Bare leadframe showed alomost no adhesion to EMC, while once the brown-oxide layer formed on the Surface of leadframe, the adhesion strength increased up to ~80 J/$\m^2$ within 2 minutes. Correlation between oxide thickness, $\delta$ and the adhesion strength in terms of interfacial fracture toughness, $G_{c}$ was linear. Considering the above results, we might conclude that the main adhesion mechanism of brown-oxide treated leadframe to EMC is mechanical interlocking, in which fine acicular CuO plays a major role.e.
Reliability of PBGA(Plastic Ball Grid Array) package is very weak compared with normal plastic packages. The reliability are the lower resistance to popcorn cracking, which is reduced by moisture absorption in PCB(Printed Circuit Board). This paper adapts plasma treatment process and analyzes their effect. The contents of C and Cl decrease after plasma treatment but O, Ca and N relatively increase. The Plasma treatment to improve the adhesion between EMC(Epoxy Molding Compound) and PCB(solder mask). The degree of improvement was over 100% Max., which is depend on the properties of EMC. Ar+H$_2$as plasma gas show good result. There is a little difference in RF power and treatment time.
Reliability of PBGA(plastic ball grid array) package is weak compared with normal plastic packages. The low reliability is caused by low resistance to the popcorn cracking, which is generated by moisture absorption in PCB(prited circuit board). In this paper, plasma treatment process was used and we analyzed its effects to interface adhesion. The contents of C and Cl decrease after plasma treatment but those of O, Ca, N relatively increase. The plasma treatment improves the adhesion between EMC(epoxy molding compound) and PCB(solder mask). The grade of improvement was over 100% Max, which depends on the properties of EMC. The RMS(root mean square) roughness value of the solder mask surface increases to plasma treatment. There is little difference of adhesion in RF power and treatment time.
최근 모바일 응용 제품에 사용되는 반도체 패키지는 고밀도, 초소형 및 다기능을 요구하고 있다. 기존의 웨이퍼 레벨 패키지(wafer level package, WLP)는 fan-in 형태로, I/O 단자가 많은 칩에 사용하기에는 한계가 있다. 따라서 팬 아웃 웨이퍼 레벨 패키지(fan-out wafer level package, FOWLP)가 새로운 기술로 부각되고 있다. FOWLP에서 가장 심각한 문제 중의 하나는 휨(warpage)의 발생으로, 이는 FOWLP의 두께가 기존 패키지에 비하여 얇고, 다이 레벨 패키지 보다 휨의 크기가 매우 크기 때문이다. 휨의 발생은 후속 공정의 수율 및 웨이퍼 핸들링에 영향을 미친다. 본 연구에서는 FOWLP의 휨의 특성과 휨에 영향을 미치는 주요 인자에 대해서 수치해석을 이용하여 분석하였다. 휨을 최소화하기 위하여 여러 종류의 epoxy mold compound (EMC) 및 캐리어 재질을 사용하였을 경우에 대해서 휨의 크기를 비교하였다. 또한 FOWLP의 주요 공정인 EMC 몰딩 후, 그리고 캐리어 분리(detachment) 공정 후의 휨의 크기를 각각 해석하였다. 해석 결과, EMC 몰딩 후에 발생한 휨에 가장 영향을 미치는 인자는 EMC의 CTE이며, EMC의 CTE를 낮추거나 Tg(유리천이온도)를 높임으로서 휨을 감소시킬 수 있다. 캐리어 재질로는 Alloy42 재질이 가장 낮은 휨을 보였으며, 따라서 가격, 산화 문제, 열전달 문제를 고려하여 볼 때 Alloy 42 혹은 SUS 재질이 캐리어로서 적합할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 반도체 패키징의 몰딩 공정에서 발생하는 EMC 폐기물을 재활용하여 실리카 나노입자를 성공적으로 제조하였으며, 이를 CMP 공정용 슬러리의 연마재 물질로 응용하였다. 상세히는, EMC 폐기물을 암모니아 용액과 소니케이터를 활용하여 열과 에너지를 가하는 에칭 과정을 통해 실리카 나노입자를 제조하기 위한 실라놀 전구체를 추출하였다. 이후 실라놀 전구체를 활용하여 졸-겔법을 통해 약 100nm를 나타내는 균일한 구형의 실리카 나노입자(e-SiO2, experimentally synthesized SiO2)를 합성하였다. 제조한 e-SiO2는 물리화학적 분석을 통해 상용화된 실리카 입자(c-SiO2, commercially SiO2)와 동일한 형상과 구조를 지니고 있음을 확인할 수 있었다. 최종적으로, e-SiO2를 연마재로 사용하여 CMP 공정용 슬러리를 제조하여 실제적인 반도체 칩의 연마 성능을 확인하였다. 그 결과, 반도체 칩의 표면에 존재하던 스크래치가 성공적으로 제거되어 매끈한 표면으로 바뀌게 된 것을 확인하였다. 본 연구 결과는 물질의 재활용법에 대한 설계를 통해 EMC 폐기물의 부가가치를 향상시키기 위하여 반도체 공정에서 대표적으로 활용되는 고부가가치 소재인 실리카 입자로 성공적으로 제조하고 이를 응용하는 방법에 대해 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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