투명한 몰딩 컴파운드를 사용하는 광학 센서 패키지에서의 Temp cycling에 따른 Wire Loop의 변형에 대한 연구

Abstract

반도체 Package에서 사용하는 Black EMC (Epoxy Molding Compound)를 사용하는 Transfer Molding방법은 Package의 외부 환경으로부터 반도체 Chip의 표면과 chip과 기판을 전기적으로 연결하는 Bonding Wire Loop를 보호하며 Package의 신뢰성을 확보하는 가장 보편화 된 방법이다. 그러나, 사용되는 반도체 Chip이 외부로부터 빛을 감지하거나, LED칩들으로부터 빛을 외부로 방출해야 하는 Optical Sensor 용 Package들에서는 투명한 실리콘을 기반으로 하여 빛을 잘 투과시키는 투명한 봉합 공정 (Encapsulation or Molding)을 적용해야 한다. 현재, Clear Molding compound를 사용하는 가장 보편적인 방법은 고체상태의 Pellet를 Mold Tool(Chase)에서 melting을 시켜서 액상으로 형태를 변화시킨 후, 온도와 압력, Transfer Time, Cure Time등 다양한 Mold Parameter들 적용하는 Transfer Molding 방법이다. 하지만, 이러한 Transfer molding 방법을 투명한 Molding Compound에 적용하게 되면, 5~7회 정도의 Clear Molding 공정을 진행한 후, Mold Tool(Chase)에 Clear Compound의 성분이 다시 부착(sticking)될 가능성이 높아서 Mold Tool Cleaning 다시 해야 하며 2~3시간정도의 Cleaning시간을 추가로 필요로 하게 된다. 이러한 여러 차례의 Mold Tool Cleaning은 Mold 공정의 생산성 지연과도 직결이 된다. 이러한 Clear Molding의 제약적인 현재의 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 Clear Molding Compound가 Mold Tool(Chase)과 직접 닿지 않고 Molding 공정이 가능한 Film Assist Molding(FAM) Technology가 적용이 처음으로 적용이 되었다. 하지만, 실질적인 FAM기술 공정을 위해서는 Molding을 해야 하는 Chip이 Attach되고 Wire Bonding이 된 PCB(Print Circuit Board) Strip과는 Molding이 되어야 하고, 추가적으로 사용하는 Mold Film은 Top Mold Chase(tool)에 잘 붙어 있게 해야 필요로 하는 Molding 된 형태의 Package Body가 잘 만들어 지게 된다. 이때 적용이 가능한 Mold Film의 두께는 약 50~100um 정도의 두께를 가지는 상용화된 Mold Film을 사용했다. 그러나, Mold Film이 Top Molding Tool(Chase)에 잘 안착이 되지 않고, 아래로 Film이 늘어지거나 처지게 될 경우에는, Mold Film에 의해서, 이미 Wire Bonding 된 PCB에 형성되어 있는 Wire Loop를 눌러서 Wire Sagging이나 Depression불량이 발생되기도 했다. 이러한 Sagging Wire나 Depressed Wire Loop를 예방하기 위해서는 가능한 한 낮은 Loop Height를 가지는 Wire Loop 형태가 요구되었고, 본 연구의 초기에는 낮은 Loop height를 쉽게 구현할 수 있는 RSSB(Reverse Standoff Stitch Bonding)loop가 적용이 되었다. 이러한 부분들을 적용한 Package에 대한 신뢰성검증을 위한 다양한 테스트들이 진행이 되었다. 다른 신뢰성 Test 항목들(MRT L3/260’C, unbiased HAST 96Hrs and HTS1000hrs)에서는 특이한 문제점들이 발생하지 않았으나, Temp Cycle Test(Condition B: -55/+125’C, 1000cycles)에서는 Bonding된 Wire Loop들이 변형이 생기면서 Wire Broken이 발생되었다. 본 연구에서는 Temp Cycling Test 후에 발생되는 Wire Broken (Deformation)현상에 대한 원인 규명 및 해결방안을 제시하고자 한다. 다양한 Clear MC(Molding Compound) 적용시 Wire Broken (Deformation)불량이 발생된 원인은 Optical Sensor들중에 하나인 Ambient Light & Proximity Sensor(ALPS)Package를 구현할 때 최근에 도입되기 시작한 Clear Molding Compound가 가지고 있는 고유한 특성을 확인할 수 있는 다양한 열 분석법 (TMA/DMA/TGA)을 통해서 차이점을 확인할 수 있었다. 일반적으로 사용하고 있는 반도체 패키지용 Black Epoxy Molding Compound와는 달리, Optical Sensor용 패키징 용으로 사용되는 Clear Molding Compound는 Silicone을 Base로하는 Compound는 빛의 산란을 일으킬 수 있는 Filler들의 함량을 최소화하는 구조로 만들어져 있다. 이러한 이유 때문에 Clear Molding Compound(MC)는 결과적으로 High CTE(Coefficient of Thermal Expansion)와 Low modulus, Ultra Low Silica filler함량이 적용되어 있음을 확인할 수 있었다. 문제가 된 Wire Broken(Deformation)문제를 해결하기 위해서 다양한 Wire Loop형태들에 대한 Sample들을 제작하였고, Temp Cycle Test를 통하여 Wire Broken 발생 정도를 확인하는 Feasibility Test를 진행하였다. 이 Test를 통하여 기존의 RSSB Loop 보다는 약간 높은 Normal Wire Loop Height를 적용하면서, Wire Loop 형성시에 Ball Bonding 중심에서 Chip의 안쪽으로 Reverse Loop Motion을 특이한 정도로 약 2x Reverse Looping을 적용한 Sample들이 1000x Temp Cycling Test를 진행 한 에도 후에도 Wire Broken이 발생되지 않았다. 이러한 결과에 대한 검증을 위해 FEA(Finite Element Analysis) Simulation을 통해서 Bond Pad 과 Wire에 적용될 것으로 예측되는 되는 Maximum Tensile Stress 정도를 비교하였다. 비교의 대상은 Molding Compound Type (Black EMC vs Clear MC) 과 Wire Loop 형태 (Normal Loop vs. Reverse Loop)으로 선정하였다. 이 Simulation을 통하여 Black EMC와 Clear MC를 사용한 package간의 Maximum Tensile Stress차이의 정도를 잘 확인할 수 있었다. 본 연구는 점점 늘어나는 광센서시장에서 필요로 하는 Packaging 기술들 중에서 투명한 Clear Molding을 필요로 하는 다양한 Light 기반의 Sensor들과 최근에 점점 관심이 모아지는 자율주행차 시장에서 필요로 하는 각종 Optical Sensor 및 ADAS의 핵심이 되는 LiDAR(Automotive CIS_ CMOS Image Sensor)와 같이 분야에도 확대 적용이 가능할 것으로 예상된다.