편집: 코어테크 기술지원처 엔지니어 라이민첸(賴民阡)

개요

STMicroelectronics의 엔지니어는 Moldex3D IC패키징 솔루션을 사용해 수지 충전에서 불완전한 위험을 최소화하였습니다. 먼저, 소프트웨어가 유동 행위 불균형으로 인한 보이드 형성을 재현하면 Moldex3D 시뮬레이션을 적용해 패키지 설계를 최적화하여 문제 발생의 위험을 낮추고, 최종적으로 기하학적 형상의 변경을 통해 성형 과정 중 구조적 결함 발생을 방지할 수 있는 충전 전면 진행에 상당한 효과가 있음을 발견하였습니다. Moldex3D는 가상의 환경에서 성공적으로 문제를 예측하였고, 시뮬레이션 결과를 전환해서 신제품의 패키지 프로토타입 공정으로 전송해 통합하였습니다.

도전

• 불균형 유동 행위 개선
• 웰드 라인 및 보이드 감소

솔루션

STMicroelectronics의 설계자는 표준 구성의 다이 패드 크기를 줄임으로써, 캐비티 상단과 하단 사이의 수지 유동 불균형 상황을 줄일 수 있을 것으로 추정하였습니다. 리드 프레임 다이 패드가 중요한 위치로 확인되었기 때문에, 그 설계를 최적화하면 충전 행위에 매우 큰 도움이 될 수 있습니다. 사실 이 방법은 제품에서 중요한 웰드 라인 수량을 줄일 수 있습니다. 따라서 이 솔루션은 시간과 비용이 필요한 실험에서 시작해 프로토타입을 제조하는 것이 아니라 설계에서 먼저 시작해 보이드 문제를 해결하는 것입니다.

효과

• 중요한 웰드 라인의 발생 확률이 높은 위치 찾기
• 웰드 라인의 만남 각도 및 보이드 형성 가능성 감소

사례 연구

IC캡슐화는 몰드 캐비티에서 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)로 마이크로칩을 캡슐화하는 공정으로, 이어서 플런저를 사용해 그림 1과 같이 정제를 캐비티에 압착합니다.

그림 1. IC 캡슐화 공정

IC 패키징의 일반적인 난제는 그림 2와 같이 불완전한 충전, 내부 보이드 및 와이어 스위핑과 크로싱 등입니다. 생산 상의 손실 및 고객 불만을 방지하기 위해서는 반드시 생산 이전 및 초기 단계에서 문제를 예측해 개선해야 합니다.

그림 2. IC패키징의 일반적인 문제

STMicroelectronics팀은 Moldex3D메쉬를 통해 마이크로칩 제품의 모델을 구축했으며, 제품이 대칭성을 가지기 때문에 분석 시간을 단축하기 위해 절반 모델만 구축했습니다 (그림 3).

그림 3. 실제 모델 및 Moldex3D Mesh 구축 모델

Moldex3D 분석을 통해 시뮬레이션과 실험 결과가 매우 일치함을 관찰할 수 있었습니다 (그림 4).

그림 4. 기존 설계의 실험 및 시뮬레이션 결과 비교

시뮬레이션 분석을 통해 유동 불균형 및 보이드 형성의 원인을 쉽게 찾을 수 있었는데, 그림 5와 같이 형상 비대칭으로 인해 상부의 유동이 하부보다 빠르고 하부에서 역류하는 레이스트랙 효과가 발생함에 따라, 공기가 캐비티 바닥에 갇혀서 웰드 라인 및 공극이 발생하는 것입니다.

그림 5. 충진 단계의 유동 선단 거동

설계팀은 문제의 원인을 찾은 후 설계를 최적화하기 위해 다이 패드의 크기를 줄였으며(그림 6), 최적화된 설계 분석을 통해 유동 불균형과 웰드 라인 문제가 모두 분명하게 개선되었음을 발견했습니다 (그림 7, 8).

그림 6. 리드 프레임의 기존 설계 및 최적화 설계 비교

그림 7. 기존 설계와 수정된 설계의 유동 선단 비교

그림 8. 원래 설계와 수정된 설계의 웰드 라인 결과

결과

본 사례에서, STMicroelectronics는 Moldex3D의 시뮬레이션을 통해 다이 패드의 크기를 줄이는 방식으로 유동 불균형, 보이드, 웰드 라인 등의 문제를 성공적으로 해결하였고, 제품의 국부 기계적 강도를 향상시켰습니다. 또한 초기 단계에서 시간과 비용이 필요한 실험적 프로토타입이 아닌, 빠르고 저렴한 비용 방식으로 문제를 해결했습니다.