자동차용 반도체 고객들의 요구 수준이 점점 더 높아지고 있다는 것은 공공연한 사실입니다. ‘후드(보닛) 아래’의 전자기기 환경은 지구상에서 열적 스트레스가 가장 심한 환경 중 하나라고 할 수 있습니다. 엔진 블록에 가까운 전자기기는 혹독한 겨울 추위부터 열대성 더위에 이르기까지 극단적인 온도 변화를 겪을 수 있으며, 여기에 인접한 내연기관의 열까지 더해집니다.
JEDEC/IPC의 수분 민감도 수준(MSL) 표준은 폴리머 오버몰딩 소재의 수분 흡수 및 “팝콘 현상”을 다루기 위해 개발되었으나, 그 적용 범위가 다양한 패키징 상황과 고장 양상을 포괄하도록 확대되었습니다. 이 표준은 자동차 반도체 고객사가 일반적으로 요구하는 MSL1 조건 하에서도 일정 수준의 박리 현상을 허용하고 있습니다. 그러나 현재 자동차 설계 엔지니어들은 “박리 제로(zero tolerance for delam)”를 가장 흔한 요구 사항으로 제시하고 있습니다. 이러한 요구를 충족하기 위해 오버몰딩 소재 제조사와 리드프레임 공급업체 모두 박리 현상을 제로로 줄이는 방안을 모색해 왔습니다. 리드프레임 제조사들은 리드프레임 금속 자체와 오버몰딩 컴파운드 간의 접착력을 강화하기 위해 제품에 적용할 수 있는 다양한 접근 방식을 개발해 왔습니다. 일반적으로 이는 갈색 산화막 형성(brown oxide formation)과 같은 공정을 이용하여 구리에 물리적 및 화학적 텍스처링을 가하는 형태로 이루어집니다.
이러한 접착력 향상(AE)에 대한 요구가, 다이와 리드프레임 사이에 기포가 없고 전도성이 높은 전기적 연결을 형성해야 하는 필요성과 정반대되는 리드프레임 처리 방식을 초래한다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 기본적으로 이는 프리폼이나 솔더 페이스트의 납땜성을 저해하기 때문입니다. 이 문제를 해결하기 위해 리드프레임 제조사들은 구리 표면에 2~9마이크론 두께의 은을 스팟 도금하는 방식을 점점 더 많이 채택하고 있다. 다이 표면에 은을 스퍼터링하는 것에 비해 은 도금층이 왜 이렇게 두꺼운 것일까요? 단순히 구리가 은으로 매우 빠르게 확산되기 때문이며, 따라서 은층이 두꺼울수록 리드프레임의 보관 수명이 길어집니다. 또한 도금 공정은 스퍼터링만큼 정밀한 공정 제어가 어렵지만, 비용은 훨씬 저렴하고 속도가 빠릅니다.
(아래)에서 이러한 리드프레임 중 하나에 인쇄된 솔더 페이스트의 개략도를 볼 수 있습니다.
최근 새롭게 나타나는 고장 양상은 리드프레임에 대한 불완전한 습윤 현상으로, 이로 인해 솔더가 은도금 영역 위로 완전히 흐르지 못한 부위, 즉 “박리 부위”(아래 그림 참조)에서 고장이 발생합니다. 평평하고 광택이 나는 은도금 표면은 오버몰딩 컴파운드가 접착하기에 적합한 표면이 아닙니다.
그렇다면 왜 솔더가 제대로 젖지 않는 것일까요? 완성된 접합부의 예상 최종 은 함량을 대략적으로 계산해 보면 그 답이 금방 명확해집니다. 2.5%Ag를 함유한 솔더(예: Indalloy 151 또는 163)의 본드라인 두께(BLT)가 (25, 75마이크론)이고 도금 두께가 (3~9)마이크론이라고 가정해 봅시다. (최근 고객 설문조사에 따르면) 전형적인 도금 두께는 2~9마이크론이며, 평균은 약 3마이크론입니다.
그렇다면 모든 은이 용해되었다고 가정할 때, 최종 접합부의 은 함량은 얼마일까요?
따라서 계산 결과, 은 함량은 6%에서 27% 사이인 것으로 나타났습니다. 27%라는 수치는 예상되는 납땜 온도에서 이러한 유형의 솔더는 물론, 사실 대부분의 솔더에서 은의 용해도 한계를 훨씬 초과하는 수준입니다. 비습윤 현상의 원리는 명확합니다. 솔더가 불용성 금속간 화합물 입자로 가득 차게 되면 더 이상 은 표면에 습윤될 수 없게 되기 때문입니다.
전력 반도체 부품 공급업체들에게 전하는 메시지는 다음과 같습니다:
- 은 도금 두께를 일관되게 얇게 유지하십시오: 공급업체에 은 스팟 도금에 대한 더 엄격한 사양을 제시하십시오.
- 입고 품질 관리 검사 절차를 업데이트하여, 은의 두께와 일관성 측면에서 지불한 대가에 걸맞은 제품을 확실히 수령할 수 있도록 하십시오.
- 리드프레임 재고를 효율적으로 관리하여 생산 과정을 간소화하고, 얇은 은층을 통해 구리가 확산되어 산화되는 현상(납땜성 저하 및 기공 발생 문제)으로 인한 리드프레임 수명 문제를 방지하십시오.
대안이 없는 것은 아닙니다(다른 종류의 솔더로 변경하는 것), 하지만 그렇게 되면 긴 재인증 절차를 거쳐야 합니다.
언제나 그렇듯이, 도움이 필요하시면 저에게 연락해 주시기 바랍니다.
건배! Andy
