몰딩과 봉지

왜 봉지하는가

봉지가 맡는 일은 세 가지로 정리된다. 첫째는 기계적 보호다. 다이와 와이어, 범프를 단단한 덩어리 안에 고정해 충격·진동·취급에서 지킨다. 둘째는 환경 차단이다. 습기와 이온성 오염물(Na⁺, Cl⁻ 등)이 금속 배선과 패드에 닿아 부식이나 누설을 일으키는 것을 늦춘다. 셋째는 형태다. 규격화된 외형을 만들어 테스트 소켓에 꽂고, 픽앤플레이스 장비가 집고, 표면에 마킹할 수 있게 한다. 여기에 더해 봉지재는 다이와 기판 사이의 열팽창 차이를 나눠 받는 구조재 역할도 한다.

환경 차단의 수준에 따라 패키지는 두 부류로 나뉜다. 기밀 패키지(Hermetic package)는 세라믹 본체나 금속 캔에 다이를 넣고 금속·유리로 뚜껑을 밀봉한다. 금속·세라믹·유리는 수증기를 사실상 통과시키지 않으므로 내부 공간이 건조한 상태로 수십 년 유지된다. 밀봉 품질은 헬륨 누설 시험으로 확인한다. 군수·우주·일부 광·MEMS 소자가 이 방식을 쓴다. 반면 비기밀 패키지(Non-hermetic package)인 플라스틱 봉지는 수지가 다이를 직접 감싼다. 고분자는 수증기를 투과시키므로 습기는 며칠에서 몇 주면 수지 속으로 스며든다. 그런데도 플라스틱 패키지가 신뢰성을 얻은 것은 수지의 이온 불순물을 수 ppm~수십 ppm 수준으로 낮추고, 칩 표면의 패시베이션과 수지–칩 계면의 접착을 개선해 왔기 때문이다. 물이 들어와도 고일 틈(박리)과 이온이 없으면 부식은 진행되지 않는다. 값이 싸고 가볍고 대량 생산에 맞아, 현재 생산되는 패키지의 절대 다수가 플라스틱 봉지다.

EMC: 실리카를 가득 채운 에폭시

EMC는 이름과 달리 무게의 대부분이 에폭시가 아니다. 70~90 wt%가 실리카 필러(Silica filler)이고, 수지는 그 알갱이들을 묶는 결합재다. 에폭시 수지와 경화제(주로 페놀 노볼락)가 가교 반응으로 3차원 그물을 이루는 열경화성 재료라서, 한 번 굳으면 다시 녹지 않는다. 원료는 반응이 조금 진행된 B-스테이지 상태의 분말을 눌러 만든 원통형 태블릿이나 과립으로 공급되며, 반응이 진행되지 않게 저온(약 5 °C 이하) 보관한다.

필러를 이렇게 많이 넣는 가장 큰 이유는 열팽창 계수(CTE)다. 에폭시 수지만의 CTE는 약 60 ppm/°C로 실리콘(2.6)이나 구리 리드프레임(17)보다 훨씬 크다. 용융 실리카(Fused silica)는 CTE가 약 0.5 ppm/°C로 매우 작아, 이를 부피로 70% 넘게 채우면 컴파운드의 CTE가 8~15 ppm/°C까지 내려온다. 혼합 법칙(부피 분율 가중 평균)보다 실제 값이 더 낮게 나오는데, 단단한 필러가 무른 수지의 팽창을 구속하기 때문이다. 이 효과를 담은 것이 케르너(Kerner) 식이다.

필러는 공짜가 아니다. 알갱이가 많아질수록 녹은 수지의 점도가 가파르게 오른다. 농후 현탁액의 점도는 크리거–도허티(Krieger–Dougherty) 식으로 근사한다.

\(\phi\)가 \(\phi_m\)에 가까워지면 점도가 발산하므로, 고충전 EMC는 구형 실리카를 여러 크기로 섞어 \(\phi_m\)을 끌어올린다. 필러 설계가 EMC 기술의 절반이라고 해도 지나치지 않다. 탄성률과 열전도도도 필러와 함께 오른다. 용융 실리카 EMC의 열전도도는 약 0.7~1 W/m·K이고, 방열이 중요한 제품은 알루미나 필러로 3 W/m·K 이상을 얻는다(대신 CTE가 커지고 금형 마모가 심해진다).

EMC 물성표에서 CTE는 항상 두 값으로 적힌다. 가교 고분자는 유리 전이 온도(Glass transition temperature, T_g)를 넘으면 그물 사슬이 움직이기 시작해 유리 상태에서 고무 상태로 바뀐다. 그 아래의 CTE를 \(\alpha_1\), 위의 CTE를 \(\alpha_2\)라 하며 \(\alpha_2\)는 \(\alpha_1\)의 3~4배다. 탄성률도 T_g를 넘으면 한 자릿수 가까이 떨어진다. EMC의 T_g는 보통 110~180 °C 범위라, 175 °C 몰딩과 260 °C 리플로는 모두 T_g 위에서 일어난다. 패키지의 휨이 온도에 따라 방향까지 바뀌는 이유가 여기에 있다.

성형성은 두 가지 시험값으로 관리한다. 스파이럴 플로(Spiral flow)는 나선형 홈이 파인 표준 금형(EMMI 1-66)에 175 °C, 정해진 압력으로 수지를 밀어 넣어 굳기 전까지 흘러간 길이로, 대략 80~150 cm 수준이다. 겔 타임(Gel time)은 175 °C 열판 위에서 수지가 끈적한 액체에서 흐르지 않는 겔로 바뀔 때까지의 시간으로 보통 20~40초다. 두 값 모두 저장 중 반응이 진행되면 줄어들기 때문에 입고·사용 전 점검 항목이 된다.

트랜스퍼 몰딩과 압축 몰딩

가장 오래 쓰여 온 방식은 트랜스퍼 몰딩(Transfer molding)이다. 약 175 °C로 달군 금형 사이에 리드프레임이나 기판 스트립을 끼우고, 포트(Pot)에 넣은 태블릿을 플런저(Plunger)로 밀어 올린다. 태블릿은 고주파 예열기에서 미리 80~90 °C로 데워 두어 포트 안에서 빠르게 녹는다. 녹은 수지는 러너(Runner)를 따라 흐르다 좁은 게이트(Gate)를 지나 캐비티(Cavity)를 채우고, 밀려난 공기는 반대편의 얕은 에어 벤트(깊이 수십 µm)로 빠져나간다. 충전이 끝나면 약 7~10 MPa의 압력을 유지한 채 60~120초 동안 굳힌 뒤 금형을 열고 이젝터 핀으로 밀어낸다. 포트 위에 남은 수지 덩어리(컬)와 러너는 게이트에서 꺾어 떼어 낸다(디게이트). 여러 개의 포트를 스트립 가까이에 나란히 둔 멀티 플런저 방식이 표준이다.

트랜스퍼 몰딩에서는 수지가 캐비티의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 수 cm를 흘러야 한다. 흐르는 내내 와이어를 옆으로 밀고, 흐르는 동안에도 경화가 진행되어 끝으로 갈수록 점도가 높아진다. 패키지가 얇아지고 몰드 면적이 넓어질수록 이 문제가 커진다. 압축 몰딩(Compression molding)은 순서를 바꾼다. 과립이나 액상 수지를 캐비티에 먼저 고르게 놓고, 녹인 뒤 다이가 붙은 기판을 그 안에 담그듯 눌러 준다. 수지가 움직이는 거리는 캐비티 두께 정도에 불과하다.

압축 몰딩은 금형을 닫기 전에 캐비티를 진공으로 빼서 보이드를 줄이고, 캐비티 면에 이형 필름을 깔아 금형 오염과 이형 문제를 함께 푼다. 반면 수지량이 그대로 몰드 두께가 되므로 계량 편차가 곧 두께 편차다.

경화 반응과 충전 시간 창

열경화성 수지의 몰딩은 시간과의 경쟁이다. 금형에 닿아 온도가 오르면 점도가 먼저 떨어져 잘 흐르지만, 동시에 가교 반응이 진행되어 분자량이 커지고 점도가 다시 올라간다. 경화도(전환율) \(X\)가 어느 값 \(X_g\)에 이르면 그물이 시료 전체로 이어져 점도가 발산하는데, 이 점이 겔화(Gelation)다. 캐비티는 그 전에 다 채워야 한다.

EMC의 경화 속도는 반응 생성물이 반응을 다시 촉진하는 자기 촉매형이라, 카말(Kamal) 모델이 널리 쓰인다. 문헌에서는 경화도를 보통 \(\alpha\)로 쓰지만 여기서는 CTE와 구별하기 위해 \(X\)로 적는다.

점도는 온도와 경화도의 함수다. 몰드 유동 해석에서 표준처럼 쓰이는 것이 카스트로–마코스코(Castro–Macosko) 모델이다.

두 식을 함께 풀면 금형 온도의 양면성이 드러난다. 온도를 올리면 처음 점도는 낮아지지만 겔화가 빨리 와서 충전 가능 시간 창이 좁아진다. 온도를 내리면 창은 넓어지지만 점도가 높아 와이어를 세게 밀고, 이형할 만큼 굳는 데 시간이 걸려 생산성이 떨어진다.

몰딩 결함과 와이어 스윕

몰딩 결함의 대부분은 수지 유동에서 나온다. 대표적인 것을 표로 정리했다.

이 가운데 와이어 스윕은 와이어 본딩 패키지(6장)의 설계 한계를 정한다. 스윕의 크기는 와이어가 옆으로 밀린 최대 변위를 와이어 길이(본드 사이의 수평 거리)로 나눈 스윕률(%)로 나타내고, 보통 수 % 이내(예: 5~10% 이하)로 관리한다. 원리는 간단하다. 점성 유체가 가는 원기둥을 가로질러 흐르면 항력이 생기고, 양 끝이 고정된 와이어는 그 분포 하중을 받는 보처럼 휜다.

식에서 바로 읽히는 것이 설계 규칙이 된다. 변위는 \(L^4/d^4\)에 비례하므로 와이어를 20% 길게 하면 처짐이 2배, 지름을 25 µm에서 20 µm로 줄이면 2.4배가 된다. 항력은 \(\eta U\)에 비례하므로 충전 후반에 점도가 오른 수지가 닿는 게이트 반대편 와이어가 가장 위험하다. 구리 와이어는 금보다 탄성률이 약 1.5배 커서 같은 조건에서 덜 휜다.

MUF: 몰딩으로 언더필까지

플립칩 패키지(7장)는 다이와 기판 사이의 좁은 틈을 모세관 언더필(CUF, Capillary Underfill)로 채운 다음, 필요하면 그 위를 다시 몰딩한다. MUF(Molded Underfill)는 이 두 단계를 하나로 합친다. 몰딩 수지가 다이 옆과 위를 덮으면서 범프 사이의 틈까지 한 번에 채운다. 디스펜스와 언더필 경화 공정이 빠져 스트립 단위로 빠르게 처리할 수 있고, 다이 가장자리의 언더필 필렛이 차지하던 면적도 줄어든다.

대신 재료와 공정의 조건이 까다로워진다. 일반 EMC의 필러는 평균 입경이 십수 µm이고 큰 알갱이는 50 µm를 넘어, 수십 µm 높이의 범프 틈에 걸린다. MUF용 수지는 필러의 최대 입경(톱 컷)을 틈의 1/3 이하 수준으로 잘라 낸 미세 필러를 쓰고, 좁은 틈을 흐르도록 점도를 낮춘다. 또 다이 아래는 다이 위보다 유동 저항이 훨씬 커서 수지가 다이 둘레를 먼저 돌아 나가며 가운데에 공기를 가두기 쉽다. 그래서 캐비티를 진공으로 빼는 진공 보조 몰딩과 기판의 벤트 홀 설계가 함께 쓰인다. 범프 피치가 좁아지고 다이가 커질수록 MUF의 난도는 올라간다. 칩을 여러 층 쌓은 뒤 층 사이 틈을 액상 수지로 한 번에 채우는 MR-MUF는 13장에서 다룬다.

몰딩 이후: PMC, 휨, 흡습, 마킹

금형 안의 1~2분으로는 가교가 끝나지 않는다. 금형에서는 이형할 수 있을 만큼만 굳히고, 스트립을 매거진에 담아 오븐에서 175 °C로 수 시간(보통 2~8시간) 더 굽는다. 이것이 PMC(Post Mold Cure)다. PMC를 거치면서 경화도가 완성되고 T_g와 탄성률, 접착력, 내습성이 최종값에 이른다. 스트립이 휘지 않도록 눌러 놓고 굽는 경우도 많다.

PMC 온도에서 상온으로 식으면 패키지는 휜다. 기판 위 한쪽 면만 몰딩한 BGA는 EMC와 기판이 붙은 두 겹 판이고, 두 층의 수축량이 다르면 바이메탈처럼 굽는다. EMC의 수축에는 열수축뿐 아니라 가교로 부피가 주는 경화 수축(대략 0.1~0.3% 수준)도 더해진다. 두 층의 곡률은 티모셴코(Timoshenko)의 바이메탈 식으로 추정한다.

예를 들어 CTE 차가 5 ppm/°C, 온도 차가 150 °C이면 \(\Delta\varepsilon = 7.5\times10^{-4}\)이고, 전체 두께 1 mm인 대칭 조건에서 \(\kappa \approx 1.1\ \text{m}^{-1}\), 길이 15 mm에서 휨은 약 32 µm다. 수축이 큰 쪽이 오목한 면이 된다. EMC가 위에 있을 때 EMC가 더 수축하면 가장자리가 들리는 스마일, 기판이 더 수축하면 가장자리가 처지는 크라이 모양이다. 리플로 온도에서는 EMC가 T_g를 넘어 \(\alpha_2\)로 팽창하고 탄성률이 떨어지므로 휨의 방향이 뒤집히기도 한다. 그래서 EMC의 CTE·T_g·수축률은 기판과 다이 두께에 맞춰 고른다. 온도에 따른 휨과 그 허용 기준은 14장에서 자세히 다룬다.

플라스틱 패키지의 숙명인 흡습은 보드 실장 때 문제를 일으킨다. 대기 중에 놓인 패키지는 EMC와 기판, 다이 접착제(5장)에 수분을 머금는다. 무연 리플로의 피크 온도 260 °C에서 물의 포화 증기압은 약 4.7 MPa다. 계면에 작은 박리나 보이드가 있으면 그 안에서 수분이 기화해 압력을 만들고, T_g를 넘어 무르고 접착이 약해진 수지를 부풀리다 '퍽' 하고 찢는다. 이것이 팝콘 균열(Popcorn cracking)이다. 패키지가 수분에 얼마나 민감한지는 JEDEC J-STD-020의 MSL(Moisture Sensitivity Level)로 등급을 매긴다. 방습 포장을 뜯은 뒤 리플로까지 허용되는 시간(플로어 라이프)이 등급마다 정해져 있고, 넘기면 다시 베이크해야 한다. 시험 방법과 가속 모델은 15장에서 다룬다.

마지막으로 패키지 윗면에 제품명·로트 번호·핀 1 표시 등을 새긴다. 예전에는 잉크를 찍었지만 지금은 레이저 마킹이 표준이다. 근적외선(1064 nm) 또는 녹색 레이저가 EMC 표면을 수~수십 µm 깊이로 태워 내면 카본 블랙이 날아가고 필러가 드러나 밝게 보인다. 얇은 패키지는 다이 위 몰드 두께가 100 µm 안팎까지 줄어들므로, 마킹 깊이와 열이 다이나 와이어 루프에 닿지 않도록 관리한다. 마킹이 끝난 스트립은 볼 어태치와 싱귤레이션(9장)으로 넘어간다.