패키지 후 공정 개발

󰊱 몰드 공정(Mold Process)

 

1. 몰드 공정의 개요

전 처리된(front) 공정 이후 공정으로 리드 프레임(lead frame) 이나 기판(substrate)을 기반 으로 조립된 chip과 Au wire로 구성된 제품을 먼지, 습기, 충격 등 외부 환경으로부터 물 리, 화학, 전기적으로 보호하기 위하여 열경화성 수지인 EMC(Epoxy Mold Compound)를 이 용하여 밀봉(encapsulation)하는 공정이다.

 

(1) 몰딩 성형 방식의 종류

(가) 이동형 몰딩(Transfer Molding)

원통 모양의 EMC인 펠렛(pellet)을 몰드 다이의 램 포트에 넣고, 램 포트 속으로 램이 들어가 압력을 가하면 EMC가 겔(gel) 상태로 몰드 다이의 캐비티(cavity)속으 로 유동하여 들어가 성형된다.

(나) 압축형 몰딩(Compress Molding)

분말 모양의 EMC를 몰드 다이의 캐비티에 넣고 겔 상태로 변화된 상태에서 몰딩 할 웨이퍼(wafer)나 PCB기반의 wire bonding된 제품을 수직으로 캐비티에 밀착시켜 성형을 한다.

(다) 진공형 몰딩(Vacuum Molding)

몰딩 공정 중에 발생될 수 있는 보이드(void)는 미세 균열(micro crack)이나 박리 (delamination)를 유발하여 패키지에 악영향을 준다. 따라서 이 문제를 해결해 기하기 위해서 몰드 다이 내부를 진공화시키는 진공 장치를 이용하여 보이드(void) 발생을 최소화한다.

(라) 캐스팅 몰딩(Casting Molding)

액체 상태의 경화성 수지(resin)를 몰드 형틀(LED 공정에서는 mold cup이라 지칭)에 주입하여 성형을 한다.

(마) 글럽 탑 몰딩(Glop Top Molding)

액체 상태의 수지(resin)를 칩(chip)과 wire bonding된 부분에 떨어트려 도포하는 방 식으로 주로 COB(Chip On Board)나 SMD 형태의 LED 패키지에 사용된다. 또한 액 상 수지의 종류에 따라 편평한 곳에서는 액상 수지가 흘려내려 칩을 충분히 도포 하지 못 할 정도의 점성을 가진 경우에는 측면에 댐(dam)을 형성한 후 안쪽을 채 워 주는 공정으로 성형하기도 한다.

 

2. EMC(Epoxy Mold Compound)

(1) EMC의 정의

EMC는 선상 구조의 저분자 단량자들이 열을 받으면 resin이나 catalyst(촉매) 등의 도움을 받아 기타 다른 성분들과 급속히 Cross-Linking(중합 반응)하여 얻어지는 복잡 한 망상 구조의 불용성 고분자 물질인 열경화성 수지이다. 1분자 속에 Epoxy기를 2개 이상 가진 화합물을 말하며 현재 공업적으로 이용되고 있는 것은 주로 BISPHENOL-A 와 EPICHLORHYD-RIN과의 생성물이다.

 

3. 몰딩의 조건(Molding Parameter)

(1) 온도(Temperature)

몰드 컴파운드 속에 있는 레진(resin)과 큐어링제(curing agent)는 온도의 영향을 크게 받으며 반응하여 열경화성 물질이 된다. 몰드 컴파운드는 겔 상태의 유동성을 좌우하 는 몰드 컴파운드의 점도(viscosity) 또한 온도에 큰 영향을 받는다. 따라서 온도가 영 향을 줄 수 있는 과정을 살펴보는 것이 중요하다.

(가) 보관 온도

4℃ 이하의 낮은 온도에서 보관한다.

(나) 사용 온도

몰딩을 하기 위해 냉동 창고에서 꺼낼 때에도 실내 온도에 도달될 때까지 24시간 실내에 두어 기다린다. 통상 실내 온도에 이른 후 6일 이내에 사용해야 한다.

(다) 몰딩 온도

몰드 컴파운드에 따라 차이가 있겠지만 일반적으로 170℃ 정도이며 이 온도에서 최대한 큐어(cure) 된다.

 

(2) 압력(Pressure)

(가) 클램프 압력(Clamp Pressure)

클램프 압력이란 상하 몰드 다이가 닫혔을 때 서로 미는 힘인데, 통상 상형 몰드는 고정되어 있고 하형 몰드가 몰드 프레스의 유압(hydraulic) 계통에 의하여 위로 압 력을 가하게 되어 있다.

(나) 램 압력(Ram Pressure)

램 압력은 램 포트에 펠렛(pellet)을 넣은 후 램으로 미는 힘이며, 랩 압력은 제품의 밀도(package density)와 관련이 깊다. 램 압력이 충분해야 높은 압력 아래에서 플 라스틱이 성형되어 적정 밀도를 유지하게 되고, 적정 밀도가 유지되어야만 내습성 과 기계적 특성이 좋아진다.

(3) 시간(Time)

몰딩에 있어서 시간은 온도만큼이나 중요하다. 온도와 시간은 서로 관련되어 큐어링 (curing)에 크게 영향을 준다. 즉, 시간에 따른 경화의 정도와 연관이 있는 것이다. 또한 온도와 시간은 몰드 컴파운드의 점도(viscosity)에 결정적인 영향을 주는 요인들이다.

(4) 램 속도(Ram Speed)

펠렛(pellet)을 트랜스퍼 램으로 미는 속도를 말한다. 몰드 컴파운드는 일정 온도의 몰 드 다이에서 고체 상태> 겔 상태 > 고체 상태로 변화를 한다. 따라서 겔 상태에서 몰 드 컴파운드를 캐비티(cavity)까지 충진을 한다. 램 속도가 너무 빠르거나 느리면 wire sweeping 발생이 증가하게 된다. 따라서 패키지 형상에 따라 최적의 램 속도를 결정해 야 한다.

(5) 램 압력(Ram Pressure)

트랜스퍼 램으로 펠렛을 밀 때의 압력으로 몰딩 공정의 중요한 조건 중 하나다.

 

4. PMC(Post Mold Cure)

몰딩 완료 후에 밀봉된 제품을 전기오븐에 175℃에서 3 ~ 4시간이나 150℃에서 8시간 정 도 베이킹(baking)하는 것이다. 큐어(cure) 온도와 시간은 사용하는 EMC의 data sheet를 참고하여 선택하면 될 것이다. 일반적으로 큐어 온도가 높으면 큐어 시간은 큐어 온도가 낮을 때보다 짧아져 생산성은 높아진다. 그러나 리드 프레임과 EMC의 열팽창계수의 차이 로 인하여 몰드 온도보다 큐어 온도가 낮을 때에는 EMC가 압축하나, 몰드 온도보다 큐어 온도가 높아지면 반대로 인장력이 작용하게 되어 베이킹 과정에서 미세크랙을 발생시켜 리드프레임과 EMC의 접착력을 감소시킬 가능성이 있다. 몰드 성형 이후 베이킹을 하는 주된 이유는 EMC를 완전히 경화시키기 위해서이다. 몰딩 성형 완료 후에 EMC는 대부분 화학적 반응이 끝났으나 미소하게 반응이 진행 중이다. 따라서 큐어를 하면 EMC의 화학 적 반응이 끝나게 되어 성형된 EMC가 더욱 단단하게 된다. 더불어 전기적 특성 개선 및 내부 스트레스의 감소도 큐어의 효능이라고 할 수 있다.

 

5. 몰드의 구성 요소

(1) 몰드 프레스(Mold Press)

몰드 프레스는 클램핑(clamping) 압력에 따라 낮은 톤수(tonnage)로부터 200ton 정도까 지 사용되고 있다. 톤수가 크다는 것은 클램핑 압력이 높다는 뜻 이외도 프레스가 크 다는 의미도 된다. 따라서 몰드 작업에서 1회당 많은 몰딩 성형을 할 수 있어서 생산 성과 연관하여 생각할 수 있다. 몰드 프레스는 트랜스퍼 램(transfer ram) 속도 및 압 력, 상하 몰드다이의 온도, 큐어 시간, 싸이클 타임 등이 자동으로 제어된다. 몰드 프 레스는 크게 제어반, 램, 상하플레이트, 네 기동, 각종 유압 계통 및 몸체로 구성된다.

(2) 몰드 다이(Mold Die)

몰드 다이는 상형 다이(top die)와 하형 다이(bottom die)의 짝으로 되어있다. 상형 다 이는 중앙에 램 포트라는 구멍이 뚫려있고, 이곳에 펠렛을 넣고 램이 들어가 압력을 가하게 된다. 몰드 다이에는 cavity라고 불리는 홈이 파져 있고, 이곳에 EMC가 녹아 흘러들어가는 gate라는 입구가 있다. 각각의 gate는 기다란 통로로 연결되어 있는데 이를 러너(runner)라 부른다. 몰드 다이 내의 공기를 EMC가 녹아 흘러들어가는 중 외 부로 방출하기 위한 Air Vent도 구성되어 진다. 하형 다이에는 Ejector Pin이 있는데, 이것은 몰딩 후 성형된 제품을 몰드 다이로부터 떼어내기 쉽도록 하는 역할을 한다.

 

6. 프리히터(Preheater)

EMC는 일반적으로 펠렛(pellet)이라고 불리는 작은 원주형으로 성형되어 있어 몰딩하기 전에 고주파 가열기(RF preheater)에 의해 예열된다. 리드 프레임을 몰드 다이에 손쉽게 배치하기 위해서 Frame Loading Rack을 사용한다. Frame Loading Rack은 몰드 다이몰에 올려놓기 전에 핫플레이트 위에서 예열된다.

 

7. 오토몰드(Auto Mold)

리드 프레임 로딩(loading)에서부터 EMC 주입 클램핑, 몰딩,하고 인이너큐어 시간이 종료 된 제품은 degating하고 매거진에 언로딩(unloading)한다. 몰드 공정에서 사용되는 보조 장 비인 핫플레이트, 프리히터 등의 과정이 포함되어 있어 생산해 낼 수 있는 몰드 다이의 생산 능력(Capa)은 생산성 측면에서는 조금 불리한 면도 있으나 자재의 품질 및 수율 면 에서는 양호하다.

 

󰊲 도금(Plating)

도금 공정은 리드 프레임(lead frame)을 사용한 패키지에서 몰딩(molding)이 형성되지 않은 리드(lead) 부분에 금속 피막을 만드는 공정이다. 도금은 공기 중에서 리드(lead) 표면의 산 화 및 변색으로부터 보호하고, 인쇄 회로 기반(Printed Circuit Board)에서 납땜이 잘 되도 록 하고, 전기적인 특성을 양호하게 하여 신뢰도를 높이는데 목적이 있다.

 

1. 도금 공정 순서

(1) 용융 도금(Dip Soldering)

표면 처리(산화막 및 유기물 제거), 예열, 도금, 수세, 건조 공정 등으로 나눌 수 있다.

(2) 전기 도금(Electroplating)

전해탈지, 에칭(etching), 프리딥(Pre Dip or Activation), 도금, 중화(neutralize), 수세, 건 조 등으로 나눌 수 있다.

 

2. 도금(Plating) 재료의 동향

전통적인 리드(lead) 도금에서는 Sn(65%)-Pb(35%) 합금을 일반적으로 도금에 많이 사용하 였다. 주된 이유로는 융점(186℃)이 낮고, 기계적 강도가 우수하며, 가격이 싸기 때문이다. 그러나 Pb는 환경에 유해한 영향을 미치므로 세계적으로 사용 규제가 확대되고 있다. 따 라서 순 주석(pure tin), Sn-Cu, Sn-Bi, Sn-Ag, Sn-Ag-Cu 등 Pb를 사용하지 않는 재료들이 로 대체되어 지고 있다. 그러나 대체품들은 Sn-Pb보다 고융점, 젖음성, 유동성 저하에 따 라서 작업성도 좋지 못하고 공정 불량률 증가로 이어진다. 이에 대해 더 좋은 대체품이 요구되어진다. 또한 팔라듐(Pd) 도금이 행해지는 μ-PPF 제품은 팔라듐 도금의 두께가 0.1 ㎛이하인 제품이다. 박막 팔라듐 도금 기술은 Pb 사용을 하지 않을 뿐만 아니라, 도금 공 정을 생략할 수 있는 장점이 있다. 팔라듐 도금 두께는 2 ~ 3㎛가 한계이며, 이상이 되면균열이 발생한다. 순 주석(pure tin)만을 사용할 경우에는 훼스커(Whisker)현상이 발생하여 리드와 리드 사이 숏트가 발생하는 침상 결정이 나타난다. 따라서 순 주석을 사용할 경우 에는 이 점을 주의해야 한다.

 

3. 도금 방법의 종류

(1) 솔더링(Soldering)

도금 욕에 있는 용융된 솔더(Solder)에 도금할 제품을 도금 욕에 담갔다가 꺼내어 표면 에 도금하는 방법이다. 방법에 따라서 Dip Soldering, Wave Soldering 등으로 나눌 수 있다.

(2) 전기 도금(Electroplating)

전해질 용액 내 도금하고자 하는 물질과 도금 물질을 넣고 전류를 가하여 표면에 도 금하는 방법이며, 주로 Sn 도금에 사용된다.