Effects of Open-Time and Jetting Pressure towards the Dispensed Adhesive Weight for Advanced Semiconductor Packaging

기술 요약: 첨단 반도체 패키징을 위한 토출 접착제 중량에 대한 개방 시간(Open-Time) 및 제팅 압력의 영향

문제 정의
반도체 부품이 소형화되고 복잡성이 증가함에 따라, 첨단 반도체 패키징의 신뢰성은 접착제 토출의 정밀도와 일관성에 점점 더 의존하고 있습니다. 부정확한 토출은 구조적 결함, 열 저항 문제 및 전기적 불일치를 초랄 수 있습니다. 이 과정을 제어하는 두 가지 핵심 파라미터는 개방 시간(밸브가 열려 있는 지속 시간)과 제팅 압력입니다. 이러한 파라미터의 변화는 불균일한 재료 피복, 보이드(void) 형성, 과도한 퍼짐 또는 약한 결합을 유발하여 궁극적으로 제조 수율과 장기적인 소자 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다. 시-시간(time-pressure) 토출 시스템이 널리 사용되고 있지만, 접착제 중량, 표면 거칠기 및 접착력에서 불일치가 발생하는 경우가 많습니다. 기존 연구에서는 압전 증폭 및 니들 파라미터를 탐구했으나, 고밀도 패키징 맥락에서 개방 시간과 제팅 압력이 접착제 중량 성능에 미치는 개별적이고 결합된 효과를 완전히 규명하지는 못했습니다.

연구 방법론
본 연구는 중밀도 실리콘 접착제 점(dot)에 대한 개방 시간과 제팅 압력의 영향을 체계적으로 분석하기 위해 **2수준 요인 실험 계획법(Two-level Factorial DOE)**을 채택하였습니다.

• 실험 범위: 개방 시간은 0.2 ms에서 3.0 ms 사이로 변화시켰으며, 제팅 압력은 0.10 MPa에서 0.25 MPa 범위로 설정하였습니다.
• 설정: 태핏(tappet), 노즐 크기 및 제팅 높이가 고정된 압전 제팅 시스템을 사용하였습니다. 2액형 실리콘 접착제를 사용하였으며, 제조사 사양에 따라 탈포 과정을 거쳤습니다.
• 데이터 수집: 각 파라미터 조합에 대해 200개의 접착제 점을 토출하였습니다.
  • 중량 측정: 통합 내부 저울를 사용하여 평균 점 중량을 측정하였습니다. 개별 점의 부피는 CyberScan 표면 프로파일링을 통해 측정되었으며, 접착제 밀도를 사용하여 중량으로 변환되었습니다.
  • 표면 분석: **원자 힘 현미경(AFM)**을 사용하여 표면 형태와 제곱 평균 제곱근(RMS) 거칠기를 평가하였습니다.
  • 기계적 테스트: 경화된 점의 기계적 결합 강도를 측정하기 위해 1 mm 전단 팁을 사용하는 **점 전단 테스트(Dot Shear Test, DST)**를 수행하였습니다.
• 통계 분석: 데이터는 분산 분석(ANOVA), 표준화된 효과를 위한 파레토 차트, 주효과 도표 및 회귀 모델링을 사용하여 분석되었습니다. 목표 중량에 대한 이상적인 파라미터 설정을 식별하기 위해 반응 최적화 도구(Response Optimizer)가 사용되었습니다.

주요 결과

1. 파라미터 영향: 개방 시간과 제팅 압력 모두 평균 접착제 점 중량을 결정하는 데 있어 **통계적으로 유의미함(p < 0.05)**이 밝혀졌습니다.
   • 개방 시간은 가장 영향력 있는 요인으로 나타났으며, 가파른 양의 선형 추세를 보였습니다. 개방 시간이 길수록 더 많은 접착제가 흐를 수 있어 점 중량이 직접적으로 증가했습니다.
   • 제팅 압력 또한 점 중량과 양의 선형 관계를 보였으나, 개방 시간에 비해 효과 크기는 작았습니다.
2. 상호작용 및 선형성: 개방 시간과 제팅 압력 사이의 상호작용은 통계적으로 유의미하지 않았으며(p > 0.05), 이는 두 요인이 독립적으로 작동함을 나타냅니다. 또한, 유의미한 곡률이 없음을 확인하였고(중심점 p-값 = 0.304), 이는 테스트된 범위 내에서 입력 파라미터와 반응 변수 사이에 선형 관계가 있음을 입증합니다.
3. 일관성 및 예측: 회귀 분석 결과 **R² 값이 98.5%**로 나타났으며, 이는 개별 점 중량(CyberScan 측정)과 평균 점 중량(중량 측정) 사이의 강력한 선형 상관관계를 보여줍니다. 이는 높은 점 간 일관성을 확인시켜 줍니다.
4. 표면 형태: AFM 분석 결과, 점 중량과 표면 거칠기(RMS 범위 3.84 nm ~ 4.43 nm) 사이의 선형적 연결이 드러났습니다. 개방 시간과 압력이 모두 증가할수록 표면 거칠기가 약간 높아졌는데, 이는 개선된 젖음성(wetting) 및 기판과의 더 강력한 상호작용 때문인 것으로 보입니다.
5. 기계적 강도: 점 전단 테스트 결과, 점 중량과 전단 강도 사이에 양의 상관관계가 있음이 나타났습니다. 가장 높은 전단력은 약 15.1 µg의 점 중량에서 52.56 gF를 기록했습니다. 그러나 본 연구는 강한 결합(47~48 gF)을 달면서도 더 무거운 점과 관련된 오버플로우(overflow)나 과도한 재료 사용의 위험을 방지할 수 있는 균형점인 11 µg을 최적의 목표치로 식별하였습니다.

최적화 및 결론
반응 최적화 도구를 사용하여, 목표 접착제 중량인 11 µg을 달로 달성하기 위한 이상적인 설정값으로 1.6 ms의 개방 시간과 0.13 MPa의 제팅 압력을 식별하였습니다. 이 구성은 만족도 지수(Desirability Index) 1.000을 달성하였으며, 이는 목표 사양과 완벽하게 일치함을 의미합니다.

의의
본 논문은 고밀도 반도체 패키징을 위한 접착제 제팅을 최적화하기 위한 검증된 프레임워크를 제공한다고 주장합니다. 주요 기여도는 다음과 같습니다:

• 개방 시간이 접착제 중량을 제어하는 지배적인 요인인 반면, 제팅 압력은 이차적이지만 필수적인 제어 변수임을 확립하였습니다.
• 상호작용 효과의 부재로 인해 두 파라미터가 독립적으로 조정될 수 있음을 입증하여 공정 제어를 단순화하였습니다.
• 목표 중량 11 µg이 기계적 신뢰성(전단 강도)과 제조 효율성(낭비 및 오버플로우 최소화) 사이의 최적의 절충안임을 검증하였습니다.
• 수율과 공정 반복성을 개선하기 위해 광전자 및 2.5D/3D 통합을 포함한 다양한 첨단 패키징 플랫폼에 적용할 수 있는 견고하고 통계적으로 타당한 방법론(DOE, ANOVA, 회귀 분석)을 제공하였습니다.