언더필 filler를 많이 넣으면 어떤 좁은 틈이 먼저 막힐까
언더필 재료의 열팽창계수는 좋아졌는데 칩 아래가 끝까지 채워지지 않는다. filler를 넣어 경화물의 성질을 바꾸는 일과, 그 입자들을 좁은 통로로 옮기는 일은 서로 다른 요구다. Underfill Filler를 고를 때 평균 입자 크기나 filler 함량 하나만 보는 이유로 이런 차이를 놓칠 수 있다.
입자는 경화물의 일부이면서 흐르는 물체다
언더필은 칩과 기판 사이의 접합부 주변을 채우는 재료다. 수지에 열팽창이 작은 silica 등을 넣으면 경화물의 열팽창 특성을 조정할 수 있다. 동시에 입자는 액체가 지나갈 통로를 통과해야 하며, 재료의 점도와 입자 분포도 공정에 영향을 준다. 경화 뒤 원하는 성질이 충전 중의 통과 능력을 보장하지 않는다.
Tsuji 등의 MUF 재료 개발 논문은 큰 입자가 좁은 틈의 흐름을 방해하는 문제를 설명한다. 흥미로운 점은 입자를 작게 만드는 것도 언제나 흐름 개선으로 이어지지 않는다는 것이다. 같은 양의 filler에서 표면적이 늘어나 흐름 길이가 줄어드는 문제가 원문의 공개 초록에 함께 등장한다. 압력을 사용하는 MUF의 연구이며 모든 capillary 재료에 같은 수치를 적용하는 근거는 아니다. ECTC 2016, 공개 Abstract
높이와 옆 통로를 따로 비교한다
가상의 조립체에서 칩 아래 높이는 30µm이고 원형 접점의 지름은 70µm, 중심 간 pitch는 110µm라고 하자. 두 접점 사이의 가장 좁은 옆 간격은 110−70=40µm다. 직경 8µm의 단단한 구형 입자는 높이와 옆 간격보다 작다. 직경 25µm도 이 이상적인 형상에서는 한 개씩 통과할 기하학적 여지가 있다.
그런데 pitch만 90µm로 줄이면 옆 간격은 20µm가 된다. 25µm 구는 그 좁은 목을 그대로 통과할 수 없다. 다른 길로 우회할 수 있는 배열인지는 별도로 확인해야 하며, 이 한 단면으로 패키지 전체가 막힌다고 단정할 수는 없다.
높이도 평균값이 아니라 최솟값이 중요하다. 휨이나 치수 변화로 일부 구간이 23µm가 되면 25µm 구는 그 구간을 지날 수 없다. 중앙값이 5µm인 분포라도 큰 입자의 꼬리나 응집체가 존재하면 중앙값만으로 통과 조건을 판단하기 어렵다. 반대로 입자 하나가 통과한다는 사실도 여러 입자가 모인 현탁액의 안정적인 흐름을 증명하지 않는다.
작은 입자가 항상 더 쉬운 해답은 아니다
같은 총 부피 V의 단일 크기 구를 비교하면 전체 표면적은 6V/d다. 직경을 25µm에서 5µm로 줄이면 표면적이 다섯 배가 된다. 이는 구형 입자의 자체 기하학 계산이다. 실제 점도가 다섯 배라는 식은 아니다.
표면 처리와 수지의 상호작용, 입자 모양과 크기 분포까지 달라지면 흐름은 더 복잡해진다. 작은 입자는 좁은 구간을 지나는 데 유리할 수 있지만, 표면적 증가와 재료 조성을 함께 조정해야 한다. 따라서 최소 입자 크기만 줄이는 처방보다 실제 gap에서 충전한 단면을 보는 편이 질문에 더 직접적이다.
함량의 단위도 맞춰야 한다. 가상 밀도로 silica 2.2g/cm³, 수지 1.2g/cm³를 놓으면 filler 60vol%는 약 73.3wt%다. 반대로 60wt%의 filler는 약 45vol%다. 질량 비율과 부피 비율은 같지 않으며, 입자가 공간을 얼마나 차지하는지 비교할 때 이 차이가 크다. 여기서 실제 CTE를 혼합비의 단순 평균으로 계산하지는 않았다.
채워진 뒤에도 같은 분포인지 본다
Amkor의 WLMUF 연구에서는 최대 filler cut size를 같게 둔 세 재료를 서로 다른 점도로 비교했고, 낮은 점도만으로 모든 void가 사라지지는 않았다. 최적화한 공정에서는 칩 가장자리와 중앙의 단면을 읽어 filler 분리 여부도 확인했다. 이 결과는 입자 크기와 bulk 점도 외에 공정 경로와 실제 분포를 함께 검사해야 한다는 사례다. EPTC 2020, Results B·C와 Figure 11
Underfill Filler의 선택은 목표 CTE와 실제 통로가 만나는 조건에서 끝나야 한다. 입자 분포의 큰 쪽, 응집 가능성, 최소 높이와 접점 사이 목을 대조하고, 충전 뒤 중앙과 가장자리의 분포를 확인한다. 재료 성적표가 좋아졌다는 사실과 조립체가 원하는 상태로 채워졌다는 사실을 연결해 주는 확인이다.