스텐실 프린팅 vs 디스펜싱 방법 비교 
공정별 최상의 방법 선정이 중요 

열전도성 접착제는 스텐실 프린팅과 디스펜싱이라는 두 개의 매우 다른 기술을 적용해 침전될 수 있다. 전자동 제조 관점에서 보면 서로 다른 애플리케이션에서 명백한 이점을 제공한다. 아마도 스텐실 프린팅은 부품 제조에서 대량의 생산성을 제공할 것이다. 그러나 이들 기술들은 또한 보이드 형성과 아마도 전체 열 퍼포먼스에 매우 다른 영향을 미친다.
 

어셈블리 프로세스 파라미터의 효과는 열계면 성능 최적화를 설명하는데 있어서 종종 충분하지 않는 경우가 있다. 이 성능에 대한 요구가 지속적으로 성장하고 있음에 따라 매우 중요해 졌고 대체 프로세스들이 발전하고 있다. 스텐실 프린팅은 일부 애플리케이션에서 UPH(units processed per hour) 측면에서 잠재적으로 높은 이점을 제공한다는 점 때문에, 전통적인 열전달 물질(TIM) 디스펜싱 방법을 완벽하게 대처한다는 점이 확실히 증명되었다. 그러나 이들 두 가지의 기술이 머티리얼 플로우 항목에서 상당히 다른 문제점들(충진물 입자 분포와 공기 내포의 위험 초래)을 내포하고 있다. 보이드 형성과 성장뿐만 아니라 아마도 필러 입자 분포에 영향을 미치는 접착 어테치먼트 프로세스의 또 다른 부문은 최종 경화이다. 게다가 보이드는 어셈블리 견고성과 신뢰성을 심각하게 감소시킬 수도 있다. 본고에서는 첫 번째 경우의 연구를 논의하고, 히트 스프레더(heat spreader)와 플립칩 뒷면 사이에서의 특별한 열계면 물질의 보이드 생성 메커니즘을 도식화한다. 초창기 보이드 형성 항목에서 스텐실 프린팅과 디스펜싱 간의 분명한 차이점들이 나타나는데, 확실히 재료의 특성과 관계가 있다. 열 상승 비율과 피크 온도 영향의 분석은 그 다음의 생성과 최종 보이드 사이즈 분포(재료의 젤리 화 온도에 이르는 초기 경화 프로파일로 결정)를 보여준다.

서문

대부분의 고성능 ASIC 패키지들은 40~100W를 초과하는 열에 견디도록 진화하고 있다. 패키지와 보드 온도를 유지하기 위해서 고열 플럭스는 매우 효과적인 방법으로 분해될 필요가 있다. 대부분의 하이엔드 패키지들(BGA, 플립칩)은 다이의 뒷면에서부터 히트 싱크 혹은 히트 스프레더 비아 TIM에 이르기까지 열의 상당한 부문을 소실한다. 이러한 설계에서, TIM을 관통한 이송 효율이 매우 중요하다고 자주 언급되고 있다. 구조체의 총 열저항은 TIM의 벌크 열전도도, 이것과 실리콘 다이 및 히트 스프레더 간 계면 상의 열 저항에 의해 결정된다. 벌크 전도도가 지속적으로 좋아지고, TIM 두께가 줄어듦에 따라, 계면 저항은 전체 성능에 영향을 주기 시작했다. 특히, 초미세 보이드 존재 혹은 전도성 충진물의 ‘결핍’ 때문이다. 또한 계면 상에서의 보이드는 계면 저항에 악영향을 줄 뿐만 아니라 리플로우 공정 직후 블리스터링(pop-corning)의 위험을 높일 수도 있다. 그리고 강력하게 접착되어 있으므로 전체 패키지 신뢰성에 영향을 미쳐왔다고 볼 수 있다.
열저항의 실험 분석에 의존해 다양한 첨단 패키지의 열 모델링이 많은 보고서에 연구되어 있다. 기계적 및 신뢰성 테스트 내에서 다양한 TIM의 성능에 보드라인 두께와 같은 파라미터 영향이라고 볼 수 있다. 그런데 일부 보고서에서는 대체 침전 기술 혹은 어셈블리 프로세스 파라미터의 영향에 대해 설명하고 있다. 이러한 이슈들이 지역연합 컨소시엄(Area Array Consortium)에서 주요 제조 프로세스의 핵심이 되었다. 다음에서는 히트 스프레더의 자동 접촉 혹은 플립칩 BGA의 뒷면에 연결되는 동안에 발생하는 보이드와 연계된 초기 문제들을 보여준다.
어떠한 대량 생산 제조시스템 프로세스에서도 가장 중요한 핵심은 프로세스 생산성과 재료 소비 혹은 폐기일 것이다. 본고에서는 스텐실 프린팅이 부품 제조공정에서 디스펜싱보다 분명한 이점을 제공하고 있음을 보여줄 것이다. 그러나 침전과 리드 배치 동안, 보이드 포집 및 심지어 충진물 분포가 침전 기술과 침전 형태 결과에 크게 의지하고 있음을 나타냈다. 또한 기술이 TIM 특정에 의존해야만 하는가라는 측면에서 더 좋은 지 두고 볼 일이다. 물론, 접착 경화이후 최종 보이드 분포와 좀 더 관계가 있다. 그러나 보이드의 최초 생성에 영향을 미친다는 사실은 확실하다. 자세하게는 경화 공정에서 많은 영향을 미친다.

스텐실 프린팅 vs 디스펜싱

열계면 접착제, 젤 및 그리스 물질계는 일반적으로 디스펜싱 프로세스에 적용된다. 디스펜싱은 고객 전용 템플리트 혹은 툴 없이도 적합한 침전 패턴을 컴퓨터 프로그램 설정만으로 이루는 편리함을 제공하기 때문이다. 그러나 디스펜싱이 연속적으로 작동함으로써, 각각의 개별적인 다이에 즉각적으로 재질이 적용되기에, 이는 중간 레벨의 생산 환경에서 병목현상이 쉽게 발생할 수 있다. 스텐실 프린팅은 적절한 디스펜싱 대체 기능을 지원하기에, 프로세스에서는 여러 개의 다이 위에 프린팅 소재들을 동시에 적용할 수 있다. 스텐실 프린팅은 대량 생산시스템에서 비용절감이라는 측면이 매우 매력적이다. 싱글 프린터가 멀티플 디스펜서 머신의 처리량을 능가할 수 있는 제한된 생산 공간에서 더 그러하다. 이를 표 1에서 잘 보여준다.
표 1에서는 디스펜싱과 스펜실 프린팅의 각 대량 프로세스 시간을 예측하여 보여주고 있다. 각각의 방법은 이송 시간을 5초로 동일하게 설정했다. 생산모델은 양쪽의 기술이 싱글 유닛에서 피디셜 자리를 잡기 위해 2.5초 걸린다고 설정했다. 로컬 피디셜이 요구되기에, 디스펜스 프로세스에서는 캐리어에 각각의 유닛이 추가됨에 따라 피디셜 캡처 타임을 1초씩 늘린 것을 주의해야 한다. 스텐실 프린팅의 경우, 글로벌 피디셜 정렬 시스템이 적용된 이후로, 더 많은 유닛이 적용될 때, 추가적인 피디셜 캡처의 시간적 손실이 없다.

프로세스의 시간 카테고리에서, 디스펜싱은 추가적인 시간 손실이 발생하는데, 디스펜서 바늘이 하나의 유닛에서 다음 유닛으로 이동하는 연속적인 시퀀스의 추가 유닛이 가해질 때이다. 스텐실 프린팅의 프로세스 시간의 경우와 비교된다. 왜냐하면 셀 수 없을 정도의 많은 유닛이 동일한 시간에 대량으로 프로세스 되기 때문이다. 프린트 헤드가 스텐실을 가로질러 이동함으로써 이뤄진다. 결과론적으로, 더 많은 유닛이 캐리어에 추가되면 될수록 스텐실 프린팅의 더 많은 장점이 디스펜싱과 비교해 더 높은 UPH를 얻을 수 있는 프로세스이다.

그림 1에 동일한 모델을 실험해 그래픽화한 결과를 나타내고 있다. 디스펜서 프로세스는 캐리어 당 단지 1 혹은 2개의 파트로 설정될 때 시간당 더 많은 파트를 생산할 수 있다. 양쪽 두 개의 프로세스는 캐리어 당 약 3개의 유닛 지점에서 동일해 지고, 그 후 스텐실 프린팅 프로세스의 경우 급격한 상승을 보여주고 있다. 프린터 캐리어 당 9개의 유닛에서 디스펜싱 프로세스의 두 배에 달하는 시간 당 유닛 프로세싱을 보였다.
스텐실 프린팅 동안, 스퀴지 블레이드는 스텐실을 통과해 TIM을 이송해 미는 것이 일반적인 방식이다. 그림 2에서 이를 보여주고 있다. 프린트 재료가 지속적으로 오픈된 노출에서 민감하게 변할 경우, 엔클로즈드 프린트 헤드 시스템은 밀봉된 용기 내에서 환경적인 보호를 제공하기 위해 대처할 수 있다. 이 같은 시스템을 그림 3에서 보여주고 있다. 탁월한 개구부 충진 성능을 제공하기 위해 압력이 직접적으로 재료에 가해진다.

금속 스텐실 내의 개구부는 자동으로 정렬된 하부의 다이에 재료가 침전되는 부분으로 정의할 수 있다. 한 번의 프린트 스트로크 이후 프린트된 다이는 스텐실로부터 떼어지고, 설비가 떨어진다. 새로운 파트로써 프로세스 시퀀스 반복이 진행된다.
작업자가 정확도와 반복적인 결과를 얻을 수 있는 여러 가지 스텐실 프린팅 파라미터가 있다. 이들 파라미터의 일부를 간단하게 언급한다; (1) 프린트 속도는 중요한 파라미터이다. 이는 스텐실을 가로질러 움직이는 스퀴지의 속도를 결정한다. 프린트 재질에 노출되는 프린트 물질과 개구부 시간의 전단율이 결정한다. 재료 특성에 의존하는 프린트 속도는 빨라지거나 느려질 수도 있다. (2) 분리 속도는 한 번의 프린트 스트로크 후 다이가 스텐실로부터 떼어지는 속도를 결정한다. 이 속도는 중요하다. 그 이유는 침전의 모양이 변할 수 있고 재료의 양(개구부 혹은 스텐실의 바닥에 잔존할 수 있고 다이에 이송되지 않는)을 결정할 수 있기 때문이다. (3) 스퀴지 재질(메탈 혹은 폴리우레탄)의 선택도 또한 신중해야 한다. 침전 재료의 긁어모으는 행동에 영향을 주어서 모양이 결정되기 때문이다. (4) 아울러 습관과 관련해서 스텐실-하부 세척 방법이 발전할 필요가 있다. 가용한 다른 방법들로는 건식 세척, 진공 세척 혹은 솔벤트 세척이 있다. 이들 세척 방법들이 결합되어 옵션으로 해서 또한 적용될 수도 있다. 모든 변수의 가장 중요한 것은 적당한 스텐실 설계이다. 이는 침전의 최종 사이즈와 형태를 규정하기에 가장 큰 부분을 차지하기 때문이다. 전통적인 개구부는 평평한 표면을 지닌 침전을 제작하기 위해 설계된다. 그러나 디스펜싱에 의해 생성된 침전과 비슷한 ‘Hershey kiss’ 곡선과 같은 고종횡비 프로파일이 생성된 지점에서 스텐실 설계전략이 필요하다.

공기 내포

평평한 리드 표면이 불규칙한 형태의 침전 표면을 누를 때, 거의 대부분 보이드가 형성될 것이다. 압착 동안, 이들의 일부 보이드들이 없어질 수 있지만 대부분 덫처럼 남아있을 것이다. 게다가 압착 동안 재료의 플로우가 확실히 젖음성에 영향을 준다. 젖음성은 다이 및 히트 스프레더 계면 TIM의 점착성과 관계가 있다. 심지어 낮은 압착 속도에도 불구하고, 계면 재료 퍼짐의 플로우 속도는 급격하게 증가하고, 종국에는 터무니없이 높아질 것이다.
그래서 리드 및 다이 표면에 대한 젖음성은 적어도 가장자리 근처에서 확실히 꽤 느리다. 이는 초미세 보이드 혹은 어디에서든 구멍이 되는 원인이 되기 쉽다. 충진제에서 고도의 터뷸런트 플로우의 잠재적인 효과가 다음번의 표면에 즉각적으로 끼칠 뿐만 아니라 이러한 결과는 직접적으로 판별하기 어려울 정도로 작게 존재할 수도 있지만 여전히 열 성능 조건에 영향을 미친다. 만약 전체 다이 표면을 가로지르는 최초의 분포를 기대했다면, 최상으로 이룰 수 있는 젖음성과 성능을 얻기 위해 스텐실 프린팅을 이용해 쉽게 얻을 수 있을 것이다. 왜냐하면 퍼져 있는 대부분의 표면에 더 낮은 플로우 속도가 포함되어 있기 때문이다. 그러나 결과는 침전 톱 표면의 평편함과 관계된 다른 것들을 쉽게 떼어내 못했다.

그림 4에서 스텐실 프린팅과 디스펜싱을 통해 형성된 침전 모양을 보여주고 있다. 프린팅은 침전의 ‘움푹 파인 형태’를 최소화하기 위해서 하나 보다 최소 3개의 스텐실 개구부가 필요하다. 스텐실 개구부 모양이 재설계되어야만 하는 경우인 인접한 침전과 만날 때부터 앞단 플로우로써 압착(리드 배치) 동안 보이드의 내포라는 명백한 잠재력을 가지고 있다. 그러나 실험에서는 증명의 필요성을 느끼지 못했다. 그림 4에서와 같이, 디스펜싱은 초기 ‘Hershey kiss’ 침전 형태를 유지하려는 경향이 있다. 이들 재료 특성에 따라 빠르게 누그러질 수도 있지만, 넓은 지역으로 디스펜싱하는 경우 ‘굴곡이 있는 형태’를 피하기가 불가능하지 않더라도 매우 어렵게 남아 있다. 이는 실장 시 리드 표면에 거품의 내포를 거의 확실하게 나타낸다. 다른 싱글의 경우, 더 큰 도트는 다이의 작은 부분보다 더 커져 피할 수도 있고, 리드 표면들이 압착 단계까지 분포되지 않은 후에 대부분 매우 빠른 속도에서 진행된다. 앞서 말한 바와 같이 스텐실 프린팅은 더욱 균일한 모습으로 다이 표면에 더 적은 기포 포함 잠재성을 제공한다. 그러나 침전의 톱 표면은 확대해서 봤을 때 여전히 굴곡지거나 혹은 기복이 있는 모양이 될 수도 있다. 그림 5에서는 3개의 개구부 스텐실 디자인을 이용해 일반적인 TIM을 형성한 표면의 레이저 프로파일러미터 스캔을 보여주고 있다. 그림 5에서는 동일한 경우 프린트된 침전의 굴곡진 톱 표면을 확실하게 보여주고 있다.

침전과 실장

상업적으로 가용한 TIM을 이용해 실험이 진행되었다. 이는 히트 싱크 어테치먼트가 적용된 초기 알루미늄 산화 충진성을 지닌 비흐름성 실리콘 접착제이다. 충진제는 커다란 구형 및 소형 불규칙한 모양으로 양봉 분포(bimodal distribution)되어 있다. 디스펜싱은 매뉴얼 디스펜서, 18-게이지 니들( 50mm O.D 및 28mm I.D)을 이용해 진행되었다. 모든 재료는 칩의 중간 근처에 하나의 큰 도트로 침전했다. 스텐실 프린팅 플립칩의 경우, 스텐실 내부 3개의 개구부가 조심스럽게 정렬되었고, 완벽한 충진을 측정하기 위해 반복적인 스트로크를 지닌 매뉴얼로 TIM이 프린트됐다. 다이 위에 완벽하게 분포되는 사항은 크게 주의하지 않았다. 그러나 유사한 플립칩 어셈블리를 지닌 독립적인 실험의 예상대로, 무시할 수 없는 대량의 과잉 혹은 버려지는 재료의 양으로 밀어졌지만 현재의 칩에서 스텐실 개구부 디자인 최적화를 위해 제작되는 시도는 없었다.
TIM 침전에 따라 칩은 특별한 픽쳐와 특이한 실장 기계(본드라인 두께의 mm에 적합하도록 실제 속도에서 실장, 거의 평편한 20mm 두께의 구리 히트 스프레더가 적용된)로 실장된다(그림 6 참조). 그런 후 재료는 벤더 조건에 따라 경화된다. 그러나 종단면은 2~3mm 본드 라인을 드러냈다. 이는 압축 후, 경화 전 혹은 늘어난 갭 사이즈의 결과로 경화 동안 발생하는 회복 현상 때문이다. C-SAM은 경화 이후 보이드을 위한 TIM을 검사하기 위해 적용되었다. 이 단계에서 검출될 수 있는 어떠한 보이드도 디스펜스된 어셈블리에서 찾아볼 수 없었다(그림 7 참조). 그림 7에서 다시 한번 강조하는 문제는 보이드이고, 재료 분포 최적화를 위해 어떠한 시도도 하지 않았다. 그러나 대다수의 프린트된 어셈블리에서는 그림 8에서와 같이 많은 보이드(일반적으로 30개 이상)를 볼 수 있었다.

여러 번의 스텐실 프린팅 행태의 근접 검사에서는 프린팅 동안 시간의 분명한 변화를 보였다. 그림 9에서는 동일한 프린트로 ‘첫 번째 프린트’된 상태(왼쪽 세 개)와 4번 진행한 프린트(오른쪽 세 개)의 침전을 비교하고 있다. 첫 번째 프린트는 매끄러운 표면이면서 명확한 가장자리를 지닌 평평한 침전의 우수한 결과를 보여주고 있다. 반면, 5번째 프린트의 경우 톱 표면이 굴곡져있으며 확실하게 가장자리가 불규칙하게 되었다. 그림 5에서의 스캔은 침전이후이다. 이 행태는 스텐실에 시간 혹은 작동에 따른 일부 재료의 침식을 잘 반영될 수도 있다. 그러나 현재 제안된 목적을 위해 부적절한 사항이 고려되어야 한다. 중요한 것은 첫 번째 프린트가 일반적으로 검출될 수 있는 어떠한 보이드도 유발하지 않는다는 점이다. 즉, 침전 표면 형태와 초기 보이드 사이의 분명한 상관관계가 있음을 예상대로 알 수 있다.

경화

경화 파라미터의 영향은 디스펜스된 샘플만 이용한 동일한 TIM을 위해 조사되었다. 그래서 경화실에서 어떠한 보이드 기포도 검출되지 않았다. 그러나 초미세 보이드와 유공성이 내포되어 있지 않는다는 보장을 하지 못한다는 것에 유의했다. 사실, 경화 전에 파기된 보이드를 기대할 수 있었다. TIM은 글라스 슬라이드와 두 번째 글라스 슬라이드 위에 디스펜싱에 의해 처음으로 침전되었다. 그래서 1mm의 갭에 재료가 압축되는 톱 부분에 놓였다. 어셈블리 후단에서 연속적인 로드와 스페이서를 지닌 이 갭을 유지하는 것은 테이블 톱 히터 위에 놓이고 경화된다. 보이드 생성 결과는 1mm 직경 보이드의 불량 오차를 지닌 50X 현미경에서 실시간으로 나타났다. 평가된 경화 파라미터는 히팅 비율과 피크 온도이다. 두 가지 상승 조건으로 진행되었다; (1) 25℃~150℃에서 40℃/min의 고속 히팅, (2) 25℃~150℃에서 8℃/min의 저속 히팅. 양쪽 히팅 모두의 경우는 150℃에서 20분에 경화를 보였다. 100℃에서 90분 경화 그리고 150℃20분 경화에서 대조적으로 보이드가 나타났고 모두 40℃/min 히팅 이후였다.
저속 히팅에서, 1~4mm 직경 보이드가 약 55℃에서 나타났다. 이들 보이드들은 70℃ 온도에 도달한 시간에 10~15mm로 성장했다. 약 70℃에서 재료는 젤화가 되기 시작하고, 사이즈와 대량의 보이드가 그 이후에 일정하게 남아 있다. 결론적으로 저속 히팅은 소량의 거대한 보이드를 만든다. 고속 히팅에서는 1~2mm 직경 보이드가 약 55℃ 온도에서 다시 나타났지만 이 경우 보이들은 그 이후에 성장이 보이지 않는다. 많은 소형 보이드를 관찰한 결과 적어도 보이드 부분 성장이 유착 및 숙성됨에 따라 저속 히팅에서 보인다는 것을 추측할 수 있었다. 유착은 소형 보이드의 집합 탓인 반면 숙성은 더 작은 보이드들을 희생시킨 커다란 보이드의 성장 탓이다. 게다가, 경화에서의 기체 방출은 마이크로밸런스와 TGA(Thermo Gravimetric Analyzer)를 이용한 단순한 무게 손실 측정에 의해 양이 정해졌다. DSC(Differential Scanning Calorimeter)는 젤화와 경화의 시작을 결정하기 위해 사용되곤 했다. 분포되지 않은 샘플들의 TGA 측정에서는 고속 히팅과 비교해 젤화 온도에 도달하는 저속 히팅 동안 두 배 이상의 대량 손실이 나타났다. 이는 성장의 부분이 보이드 내부로 향한 휘발성 기체 방출과 연관되어 있음을 추측할 수 있다. 즉, 고속 히팅은 약간이나마 더 작은 보이드 양을 만들 수도 있다. 예상했던 대로, 두 개의 다른 피크 경화온도에서 어떠한 차이도 나타나지 않았다. 즉, 히팅을 약 70℃까지 올리는 것이 중요하다.

결론

열전도성 접착제는 스텐실 프린팅과 디스펜싱이라는 두 개의 매우 다른 기술을 적용해 침전될 수 있다. 전자동 제조 관점에서 보면 서로 다른 애플리케이션에서 명백한 이점을 제공한다. 아마도 스텐실 프린팅은 부품 제조에서 대량의 생산성을 제공할 것이다. 그러나 이들 기술들은 또한 보이드 형성과 아마도 전체 열 퍼포먼스에 매우 다른 영향을 미친다. 스텐실 프린팅에서는 비교적 낮은 점도, 부드러운 침전 표면을 보장하기 위한 강한 표면 장력 재료가 필요하다. 경화 프로세스는 또한 보이드 생성에 영향을 미친다. 고속 히팅은 대량의 소형 보이드를 생성한다. 항상 이점을 제공하는지 규명하는 작업이 남아 있다. 소량 대형 보이드에서 고정 보이드의 유착 혹은 숙성의 양은 전체 열 저항을 확실히 감소시킨다. 반면,  고속 히팅은 우수한 휘발성 기체의 방출을 통해 보이드 성장을 늦춘다.