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GaN 신뢰성 및 수명 예측: 15단계(3)

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글/Ricardo Garcia, Siddhesh Gajare, Ph.D., Angel Espinoza, Max Zafrani, Alejandro Pozo, Ph.D., Shengke Zhang, Ph.D., EPC

열-기계 스트레스

WLCSP로 이루어진 GaN 트랜지스터는 AEC 또는 JEDEC 표준에 따라서 테스트했을 때 뛰어난 열-기계 신뢰성을 나타낸다. 이것은 이 “패키지”가 근본적으로 단순하고, 와이어 본드를 사용하지 않고, 상이한 소재들을 사용하지 않고, 몰드 화합물을 사용하기 때문이다. 그럼으로써 모든 WLCSP GaN 트랜지스터는 베어 다이 형태로 -40℃부터 150℃까지 동작할 수 있다.

부품 차원의 신뢰성 외에도, IPC-9592 같은 또 다른 산업 표준이나 OEM들의 환경 규정에 따라서 PCB 상으로 탑재되는 부품들에 대해서 시스템 또는 보드 차원의 테스트들을 실시해야 한다. 이러한 모든 경우에 GaN 트랜지스터 같은 표면실장 부품으로(특히 부품과 보드 사이의 솔더 접합부로) 격심한 열-기계 스트레스를 가하는 테스트들을 항상 포함한다. 예를 들어서 IPC-9592 표준에서 가장 엄격한 온도 사이클링 요건(클래스 II, 카테고리 2)을 충족하기 위해서는 30개 유닛으로 이루어진 샘플 크기로 700 사이클로 -40℃부터 125℃까지 테스트해서 결함을 일으키지 않아야 한다. 

솔더 접착의 신뢰성은 디바이스와는 별개로 PCB 레이아웃, 설계와 소재, 어셈블리 공정, 히트싱크 동작, 애플리케이션 특성 같은 여러 요인에 따라서 좌우된다. 그러므로 특정 애플리케이션으로 고장이 발생되기까지 시간을 예측하는 정확한 모델을 제공한다는 것이 현실적으로 거의 불가능하다. 그렇기는 하나 과거에 EPC는 변형 에너지 밀도와 피로 수명의 상관관계에 근거해서 솔더 접합부의 TTF(time to failure: 고장이 발생되기까지 시간)를 예측하기 위한 모델을 내놓은 바가 있다[15].

이 장에서는 다양한 조건으로 온도 사이클링 및 간헐적 동작 수명(전력 온도 사이클링이라고도 함) 테스트 결과를 소개한다. 또한 언더필(underfill) 소재를 사용해서 솔더 접합부 신뢰성을 어떻게 향상시킬 수 있을지에 관한 데이터와 분석을 제공한다. 표면 실장 디바이스를 가혹한 환경 조건에 노출시키는 애플리케이션으로 언더필을 흔히 사용한다.

언더필은 WLCSP GaN 트랜지스터가 적절히 작동하는 것과는 무관하다. 실제로 제품 검증과 관련해서 실시하는 대부분의 신뢰성 테스트로 테스트 대상 디바이스들을 언더필을 사용하지 않고서 FR4 보드로 탑재한다. 이러한 테스트들로서 HTRB, HTGB, H3TRB, uHAST, MSL1, IOL, HTOL, ELFR, HTS, TC를 포함한다. 언더필을 사용하는 것은 보드 차원의 신뢰성을 향상시키기 위해서다. 언더필을 사용하면 다이와 PCB 사이에 열 팽창 계수(CTE) 불일치로 인해 솔더 접합부로 가해지는 스트레스를 낮출 수 있기 때문이다. 

뿐만 아니라 언더필은 오염물을 방지하고 엄격한 연면거리 및 공간거리를 요구하는 경우에 추가적인 전기적 절연을 이룰 수 있다. 또한 언더필은 접합부-대-보드 열 임피던스를 낮추는 데 도움이 된다. 언더필에 사용되는 소재들이 열 전도성이 공기보다 높기 때문이다. 다만 통상적인 열 계면 소재들보다는 낮다. 언더필 소재를 잘못 선택하면 솔더 접합부 신뢰성을 떨어트릴 수 있다는 점에도 유의해야 한다. 그러므로 이 장에서는 시뮬레이션과 시험 결과에 근거해서 언더필을 선택하기 위한 가이드라인을 제시한다.

(1) 적합한 언더필을 선택하기 위한 기준

언더필 소재를 선택하기 위해서는 소재의 주요 특성을 파악하는 것과 함께 다이와 솔더 상호접속을 고려해야 한다. 무엇보다도 먼저, 언더필 소재의 유리 전이 온도가 애플리케이션의 최대 동작 온도보다 높아야 한다. 또한 언더필의 CTE가 솔더의 CTE와 되도록 일치해야 한다. 두 소재가 동일한 비율로 팽창/수축해야 솔더 접합부로 추가적인 장력/수축 스트레스를 피할 수 있기 때문이다. 

예를 들어서 통상적인 무연 SAC305 및 Sn63/Pb37은 CTE가 약 23ppm/℃이다. 참고적으로, 유리 전이 온도(Tg)보다 높은 온도로 동작하면 CTE가 급격하게 증가한다. Tg 및 CTE와 함께, 영률(Young Modulus)도 중요하다. 강성이 높은 언더필은 솔더 범프로 전단 응력을 낮추는 데에는 도움이 되나, 디바이스 귀퉁이로 스트레스를 증가시킨다. 이에 대해서는 다음 장에서 더 자세히 설명하도록 하겠다. 낮은 탄성(다이 하단에서 언더필 흐름 향상)과 높은 열 전도성 역시도 바람직한 특성이다. 표 7은 이 시험으로 테스트한 언더필 소재들의 주요 특성을 비교해서 보여준다.

[표 7] 언더필 소재들의 특성

(2) 온도 사이클링을 통한 언더필 시험

다양한 GaN 트랜지스터들로 위에서 열거한 언더필 소재를 적용하고 적용하지 않은 두 가지 조건으로 온도 사이클링(TC) 테스트를 실시했다. 이를 위해서 두 가지 온도 사이클링 범위를 사용했다. (i) -40℃~125℃와 (ii) -55℃~150℃이다. 모든 경우에 2레이어 1.6mm 두께의 FR4 보드로 이루어진 DUT 카드 또는 쿠폰에다 디바이스들을 탑재했다. SAC305 솔더 페이스트와 수용성 플럭스를 사용하고, 언더필을 바르기 전에 플럭스 세척 공정을 거쳤다. 표 8부터 표 11까지는 EPC2701C 및 EPC2053의 온도 사이클링 데이터를 보여주며, 그림 14는 EPC2206의 결과를 베이불(Weibull) 플롯으로 보여준다.

두 온도 범위 모두로, Namics 언더필(U8437-2_N과 8410-406B)이 언더필을 사용하지 않은 것과 비교해서 수명에 있어서 크게 유리하다는 것을 알 수 있다. Henkels 언더필(UF1137_H)도 마찬가지다. 반면에 Masterbond EP3UF는 신뢰성을 저하시키는 것으로 나타난다. 이것은 무엇보다도 낮은 Tg가 원인이다. 다시 말해서 이 언더필이 모든 테스트로 자신의 유리 전이 온도보다 훨씬 높은 온도에 노출되는 것이다. 이러한 소재 특성에 근거해서 Masterbond EP3UF는 70℃ 아래로 유지되는 애플리케이션에 사용하기에 적합하다고 볼 수 있다.

(3) IOL(간헐적 동작 수명) 테스트

온도 사이클링 테스트는 디바이스와 PCB 모두를 체임버 안에다 넣고 주변 온도를 사이클링하기 때문에 어셈블리 전반에 걸쳐서 온도 변화가 일정하다. 그런데 IOL(간헐적 동작 수명) 테스트는 디바이스 내부에서 전력을 소산시켜서 온도 상승을 일으킨다. 그러므로 IOL 시에는 디바이스와 다이 주변의 PCB만이 온도가 변화된다. 그러므로 GaN 트랜지스터와 PCB 사이의 CTE 불일치로 인해서 솔더 접합부로 가해지는 스트레스가 온도 사이클링 테스트를 할 때처럼 높지 않다. 하지만 전체 사이클을 완료하는 시간이 TC보다 훨씬 빠르다(IOL을 전력 온도 사이클링이라고도 한다).

그림 15는 32개의 EPC2206으로 이루어진 샘플 집단을 두 가지 조건으로 결함이 발생될 때까지 테스트한 결과를 보여준다. 각기 사이클은 30초 동안 열을 가했다가 30초 동안 식히는 것으로 이루어졌다. 그림 15에서 파란색 데이터는 디바이스들을 40℃부터 100℃까지 사이클링한 것이고, 주황색 데이터는 디바이스들을 40℃부터 150℃까지 사이클링한 것이다. 두 경우 모두 솔더 피로가 유일한 결함 메커니즘이다. 그러므로 베이불 핏의 기울기가 거의 같다. 하지만 각기 사이클 동안에 ΔT와 Tmax에 따라서 MTTF(Mean Time to Failure: 고장이 발생하기까지 평균 시간)가 크게 가속화되는 것을 알 수 있다.

세 번째 샘플 집단은 Namics U8437-2 언더필을 적용하고서 40℃부터 150℃까지 사이클링해서 테스트했다. 53,000 사이클까지 어떠한 결함이 관찰되지 않았다. 그림 15에서 녹색 선은 53,001 사이클에 하나의 결함을 나타내고 있다. 그러므로 이 선을 이 언더필 성능에 있어서 하한 한계선으로 볼 수 있다. TC 테스트에서와 마찬가지로, Namics 언더필이 순환적인 온도 스트레스에 대해서 수명을 크게 향상시킨다는 것을 확인할 수 있다.

[그림 15] 베이불 플롯으로 나타낸 EPC2206의 IOL 테스트 결과

(4) 언더필 선택을 위한 가이드라인

다음과 같은 가이드라인에 따라서 eGaN FET에 사용하기 위한 언더필을 선택할 수 있을 것이다: 

• 언더필 CTE는 솔더 접합부 CTE(24ppm/℃)를 중심으로 16~32ppm/℃ 범위여야 한다. 이 범위 안에서도 낮은 값일수록 더 바람직하다. 다이 및 PCB와 더 잘 일치하기 때문이다.

• 유리 전이 온도(Tg)가 최대 동작 온도보다 여유 있게 높아야 한다. Tg보다 높게 작동하면 언더필이 강성을 잃고 솔더 접합부를 보호하지 못하게 된다.

• 영률(혹은 저장 탄성률)이 6~13 GPa 대여야 한다. 영률이 너무 낮으면 언더필이 물러지고 솔더 접합부로부터 가해지는 스트레스를 경감시키지 못한다. 영률이 너무 높으면 다이 가장자리로 높은 스트레스가 응집되기 시작한다.

시험 결과를 보면, Henkels UF1137_H와 Namics 8410-406B 및 U8437-2_N 언더필이 eGaN FET에 사용했을 때 열-기계 신뢰성을 크게 향상시키는 것으로 나타난다. 

leekh@seminet.co.kr
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