반도체 Capillary Underfill 공정 이란? (캐필러리 언더필) with 모세관 현상

*목차*

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.