1. Capillary Underfill(캐필러리 언더필) 이란?
2. 모세관 현상(Capillary Action) 이란?
3. Jurin's Law - 메니스커스 높이 구하기
4. 모세관 현상과 캐필러리 언더필
5. Capillary Underfill 방법
1. Capillary Underfill(캐필러리 언더필) 이란?
-. 언더필(Underfill) 공정이란
이름 그대로 '아래를 채우다' 라는 의미에요.
'FCB(Flip Chip Bonding)' 공정을 완료한 후에
Chip 아래 틈 빈 공간을 '에폭시(Epoxy)'와 같은 절연 수지(Resin)를 채워넣고
단단하게 경화 시켜서 외부 환경으로부터 반도체 Device를 보호하는 공정이에요.
Underfill 공정은 Underfill Material나 방식에 따라 종류가 다양해요.
그 중에서 'Capillary Underfill(캐필러리 언더필)'은 이름 그대로
'모세관 현상(Capillary Action)'을 이용한 Underfill 방식이에요.
'Capillary Underfill'를 알기 위해서 먼저 '모세관 현상'에 대해서 알아봤어요.
2. 모세관 현상(Capillary Action) 이란?
-. '모세관 현상(Capillary Action)' 이란
어느 액체가 담긴 용기에 '가느다란 관'을 수직으로 넣었을 때
가느다란 관 속의 액체 높이가
관 밖의 액체 표면보다 높아지거나 낮아지는 현상이에요.
이는 '액체 분자 간의 인력'과 '액체 분자와 관 벽 사이에 작용하는 인력'
2가지 인력에 의해서 나타나는 현상이에요.
두 가지 힘 관계에서
액체의 응집력(분자 간의 인력)이 더 큰 경우와
액체의 부착력(액체와 관 벽 간이 인력)이 더 큰 경우로 볼 수 있어요.
2.1 물의 모세관 현상 (응집력 < 부착력)
-. 물(H2O)은 액체와 관 벽 간의 인력(부착력)이 분자 간의 인력(응집력)보다 커요.
'부착력'이 더 크면 가느다란 관 속의 액체 가장자리는 관 벽을 따라 올라가요.
액체 표면 가장자리가 벽을 따라 올라가니 관 속의 액체 표면은 '오목'해져요.
이때 '오목'해진 액체 표면은 액체의 '표면장력'에 의해서
오목해진 중앙 부분을 채우기 위해서 액체가 끌려 올라와요.
이 과정이 반복 되면서 관 속의 액체는 점점 올라가고
관 밖의 액체 표면보다 위치가 높아져요.
**표면장력(Surface Tension) : 액체의 표면이 수축하면서 최소한의 표면적을 가지려는 힘의 성질. 물 방울이 동그래지는 이유.
2.2 수은의 모세관 현상 (응집력 > 부착력)
-. 수은(Hg)은 분자 간의 인력(응집력)이 액체와 관 벽 간의 인력(부착력)보다 커요.
응집력이 더 크면 가느다란 관 속의 액체가 응집이 되면서
표면장력에 의해서 액체 표면이 볼록한 형태가 되고
높이가 점점 낮아져요.
위 현상 처럼 모세관 속에서 액체가 표면장력에 의해서
액체 표면이 '볼록' 또는 '오목' 형태로 '곡면'이 된 모습을
'메니스커스(Meniscus)' 라고 해요.
3. Jurin's Law - 메니스커스 높이 구하기
-. 모세관 현상에 의해서 관 속의 액체가 끌려 올라가거나 내려가는데
관 속의 액체 기둥 높이(메니스커스 높이)를
" Jurin's Law "로 구할 수 있어요.
관 속의 액체 기둥 높이는 '표면장력'에 의해서 끌려 올라가거나 내려가는데
이때 '표면장력'은 관 벽으로부터 일정 각도(θ)만큼 기울어져서 작용해요.
그리고 이 힘은 기둥의 '최상단 둘레'만큼 액체에 작용한다고 할 수 있어요.
또한 관 속의 액체 높이가 변하고 나면 정지해 있는 상태이기 때문에
"표면장력에 의한 힘"
= "관 속 상승(or 하락)한 높이(h) 만큼의 액체 무게"
이렇게 같다고 볼 수 있어요.
그리고 위 관계는 아래 식과 같이 표현할 수 있어요.
T : 표면장력
h : 관 속 상승(or 하락)한 액체 기둥의 높이
R : 관의 반지름
ρ : 액체의 밀도
4. 모세관 현상과 캐필러리 언더필
-. 모세관 현상은 가느다란 관에서만 일어나는 것이 아니라
평평한 판 위, 좁은 틈에서도 똑같이 일어나요.
'캐필러리 언더필'은 FCB(Flip Chip Bonding)가 완료된 Chip 가장자리에
Epoxy와 같은 Underfill Material을 떨어트리면
"Underfill Material의 표면장력"과 "Material과 Chip 벽면 사이의 인력"에 의해서 Chip과 Substrate 사이의 Bump 사이사이 빈 공간으로 빨려 들어가면서 채워지는 방식이에요.
Underfill Material을 Chip 위에 떨어트리고
틈으로 빨려 들어가서 채워질 때까지 기다리기만 하면 되는
간단한 방법이라서 가장 많이 사용되는 Underfill 방식이라고 해요.
5. Capillary Underfill 방법
-. Capillary Underfill은 보통 '가열된 판(Hot Plate)' 위에 올려놓고 진행해요.
수지가 담긴 용기 끝에 'Needle'dmf ekfrh
'Despenser'로 수지를 조금씩 Chip 가장자리로 떨어트려요.
그러면 '모세관 현상'에 의해서
Chip과 Substrate 틈 사이로 빨려 들어가고
Bump 사이사이 빈 공간이 채워져요.
Chip 틈 사이로 수지가 다 채워지면
수지가 '경화' 될 때까지 충분히 가열해줘요. (Curing)
"Bump 높이(Chip과 Substrate 사이 간격)", "Bump 간격(Pitch)", Underfill Material 종류, 수지를 떨어트리는 위치, 도포하는 수지 양, 온도 등
여러가지 변수에 따라 수지가 흐르는 속도가 다르기 때문에 주의해야돼요.
공정 Recipe가 적절하지 못하면 여러가지 문제가 발생하는데요.
Underfill 수지의 흐름이 너무 느리면
빈 공간을 다 채우기도 전에 수지가 경화가 되서 끝까지 채우지 못해요.
또 위치마다 수지의 흐름 속도가 차이가 클 경우에는
수지가 채워지기 전에 흐름이 막혀서 '빈 공간(Void, Air trap)'이 발생할 수 있어요.
Underfill 수지가 제대로 채워지지 않으면
외부 충격에 취약한 부위가 될 수 있고 전기적 특성에도 문제가 될 수 있어요.
**공부하면서 정리해봤는데 오류가 있으면 댓글로 수정 부탁드려요.
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