PoP 위 package의 solder ball을 paste에 찍는 이유
PCB에 solder paste를 인쇄했는데 왜 위쪽 메모리 패키지는 다시 paste에 찍을까. PoP Paste Dipping에서는 재료를 넣는 위치가 다르다. PCB 위의 인쇄는 아래 패키지와 보드의 접합을 준비하고, 위쪽 패키지의 ball dipping은 패키지와 패키지 사이의 접합을 준비한다.
두 접합면은 같은 곳이 아니다
PoP는 아래 package 위에 다른 package를 올려 연결하는 구조다. 한 번의 reflow로 조립하는 흐름에서도 보드와 아래 package, 아래와 위 package의 접합면은 따로 존재한다. PCB의 paste가 위쪽 접합부까지 자동으로 공급되지는 않는다.
TI의 OMAP PoP 지침은 PCB에 paste를 인쇄하고 아래 BGA를 놓은 뒤, 메모리 package를 flux 또는 paste에 dip하여 위에 올리는 흐름을 보여 준다. flux dipping과 solder paste dipping도 구분해야 한다. flux는 젖음을 돕지만 paste처럼 solder 금속을 추가하는 것은 아니다. OMAP PoP SMT Design Guideline, 9페이지
어떤 재료를 추가해야 하는지는 기존 ball과 land의 구조, 젖음과 조립 높이 조건에 달린다. PoP라는 이름만으로 모든 top package에 동일한 paste dipping이 필요한 것은 아니다.
깊이가 늘면 적시는 표면이 달라진다
형상만 분리한 가상 예로 반지름 100µm인 완전한 구를 액체 표면에 넣는다고 하자. 구의 가장 아래에서부터 잠기는 높이를 z라고 두면 젖는 구면적은 2πRz다. z=60µm에서는 약 37,700µm², z=120µm에서는 약 75,400µm²로 두 배다.
이 구의 전체 높이는 200µm이므로 높이 비율은 각각 30%와 60%다. 실제 package에 붙은 ball의 노출 높이는 완전한 구의 지름과 같지 않을 수 있다. dip depth의 기준이 ball의 노출 높이인지, 장비의 이동량인지 맞추어야 하는 이유다.
만약 젖은 부분에 두께 5µm의 얇은 막이 균일하게 남는다는 가정까지 넣으면, 면적×두께의 1차 근사 부피는 약 188,500µm³와 377,000µm³다. 그러나 실제 paste 전달량이 두 배라는 결론은 아니다. dip 뒤 빠져나오는 동안 막이 흐르고, 점도와 dwell time, ball 사이의 상호작용이 형상을 바꾼다. 이 계산은 깊이가 접촉할 표면을 늘리는 부분만 보여 준다.
더 깊이 찍는 처방에는 다른 실패가 있다
깊이를 늘리면 젖을 표면이 커질 수 있지만, package 밑면으로 재료가 올라붙거나 옆 ball 사이에 과도하게 남는 조건도 생긴다. TI 지침은 빠른 dipping에서 paste가 밀려 package 밑면에 붙는 예와, 깊이에 따라 flux가 ball에서 밑면으로 이동하는 예를 제시한다. 11·32페이지의 결함 예
따라서 reservoir의 재료 높이와 실제 ball의 진입 깊이, 들어가고 나오는 속도를 함께 기록해야 한다. nominal 장비 설정만으로 매번 같은 코팅이 된다고 생각하기 어렵다. 점도는 온도나 사용 시간에 따라 달라질 수 있고 재료의 준비 조건도 영향이 있다.
지침은 dip depth뿐 아니라 점도와 dwell time이 top BGA 공정에 중요하다고 설명한다. 특정 재료는 air와 nitrogen reflow에서 결과가 달랐고, dipping 시간 변화가 해당 평가의 결과에 영향을 주었다. 그 문서의 깊이 비율이나 시간을 모든 최신 PoP에 공통으로 적용할 근거는 아니다. DOE2·DOE3 Summary, 34·38페이지
양과 접합 결과를 연결해 확인한다
paste가 잘 묻었다는 외관만으로 접합이 정상이라고 판단할 수 없다. 깊이에 따라 ball 사이의 short, 접촉이 부족한 open, package 휨에 따른 위치별 차이를 확인해야 한다. X-ray의 접합 모습과 전기 연결 검사가 답하는 질문도 서로 다르다.
TI의 한 평가에서는 paste dipping 깊이를 줄인 조건에서 solder ball short가 나타나지 않는 결과를 보여 준다. 이는 해당 구조와 재료의 공정 창을 찾은 사례이며, 언제나 얕게 찍는 것이 정답이라는 뜻은 아니다. 50페이지의 X-ray 예
PoP Paste Dipping은 위쪽 접합면에 필요한 재료를 올바른 위치에 전달하는 공정이다. 깊이와 코팅량을 같은 숫자로 취급하지 말고, ball의 실제 노출 높이와 재료의 흐름, 최종 접합 결과를 함께 확인해야 한다. 충분히 붙이되 과도한 재료를 남기지 않는 조건을 그 구조에서 찾는 일이 핵심이다.