Precondition – SMD 전처리

반도체 IC 는 통상 한번 만들어지면 “반영구적” 으로 작동한다. 이때 반영구적으로 작동한다는 것을 쉽게 얘기할 수 있는 이유는, 모든 반도체 IC 제품이 “신뢰성시험” 이라는 것을 거치기 때문이다.
반도체 IC 의 수많은 신뢰성 시험중, Precondition (전처리) 라는것에 대해서 알아보도록 하자.

1. Precondition 개론

Precondition 이란 것은 “신뢰성 시험 전”에 실시하는 특정 Stress 및 Process 를 말한다고 볼 수 있습니다.
다시 얘기하면, Precondition이란 것은 반도체에 대해서만 적용되는 신뢰성 시험이 아니라, 어떠한 타입의 제품이든 “신뢰성 평가” 라는것을 진행하기 위해서 그 전에 거쳐야되는 “과정”이라고 볼 수 있습니다.

반도체 제품이 공장에서 만들어져서 그 반도체 IC 가 Board (Module) 에 올려져 붙여지고, 그러한 Module 들이 여러개 합쳐져서 소비자인 우리가 통상 갖게되는 전자제품으로 탄생하게 됩니다. 이때 반도체 IC 는 최종 완제품 입장에서 하나의 부품으로써 여러 공공정들을 거치게 되는데, 이러한 공정 중 하나가 Soldering 입니다. 반도체는 통상 동작하기 위해서 Soldering 공정을 거쳐야 합니다. Soldering 이라 하면, 한국말로는 “납땜” 이라고 이해하면 됩니다.

PCB 또는 Board 또는 Module 이라고 불리는 기판에 GPS센서, Memory IC, Capacitor, 각종 수동소자 들이 Soldering 이 됩니다. 이러한 Soldering 납땜 공정이 필수 공정이고, 그 과정은 엄청난 고온에서 이루어지기에 장착되는 반도체 입장에서는 아주 큰 스트레스를 받게 됩니다. 그렇기에 이 Soldering Process 에 있어서 여러 스트레스를 얼마나 잘 견딜 수 있는지가 관건인 건데, 이러한 사항을 시험해보는 신뢰성을 Precondition 에서 검증하게 됩니다.

2. Precondition 이란

기본적으로 반도체는 “반도체”만의 “단일” 로는 어떠한 기능을 발휘하지 못합니다.
어떠한 완제품에 들어가는 하나의 일부 Part 일 수 밖에 없는 물건입니다.
그렇기에, 반도체의 신뢰성을 평가한다는 것은 궁극적으로 완제품 내의 Board 에 올려졌을때 잘 작동하는지를 평가한다고 볼 수 있습니다.
그래서, 반도체의 신뢰성 평가를 하기 위해서는, “Board”에 올려져 있는 상태임을 가정하고 신뢰성을 판명하는것이 마땅한 것이라 할 수 있겠습니다.

이때, 고객 Board 에 올려져 있는 상태를 가정하기 위해서, 제품이 Packing에서 개봉이 되고, 일정시간이 지나서, 고객 Board에 Mount 되는 상태를 인위적으로 처리해야 합니다.

제품이 Packing 된 상태에 있다는 말은 진공포장된 상태이며, 이는 Bake 과정을 통해 대변될 수 있습니다.
125도, 24시간의 Bake 과정을 거치면 진공포장의 상태의 제품이 되고,
통상 Packing 상에 쓰여진 MSL3 상태의 조건으로 제품이 보관 or 가공된다는 것을 전제합니다. 예를들면, MSL1 은 습기에 노출되는 시간과 관계없이 Cracking에 대한 내성이 강하다는 뜻이고, MSL 5나 6은 수분과 관련된 분열Cracking 발생확률이 높다는것을 나타냅니다.

3. Precondition 의 조건 – MSL

제품의 종류 및 형태에 따라 수분이 침투함에 따라 발생하는 Cracking 의 발생정도가 다릅니다.
JEDEC에서 수분민감도 (Mosture Sensitivity Level)을 구분할 수 있는 표준을 수립하였고, 이는 MSL 숫자로 표시됩니다.
MSL 숫자가 클수록 Cracking 이 발생할 확률이 높다는 의미 입니다.

Floor Life라는 것은, 납땜공정 전까지 반도체가 대기에 노출 가능한 시간을 뜻합니다. 통상 Shelf Life 라고도 합니다.

예를 들어 MSL 3등급을 획득하기 위해서는 30 °C, 60% R.H 환경에서 192시간 노출된 후, Reflow를 3회 진행하고 전기적 성능 검사와 비파괴 (Crack 이 나 , Delamination) 검 사 를 Pass 해 야 합니다 .
제일 오른쪽 축을 보면 ACCELERATED EQUIVALENT라는 항목이 있습니다. 이것은 STANDARD 조건을 가속시킨 것으로 MSL 3의 Soak 조건을 60 °C, 60% R.H 로 올려서 시험시간을 40시간으로 단축(가속)하는 방법을 기술한 것입니다.

사용하는 패키징 물질의 Moisture Diffusion Activation Energy가 표에서 제공한 범위에 있다면, 가속조건을 바로 사용할 수 있습니다. 만약 활성화에너지를 모른다면, Standard 조건에서의 흡습량, 불량 형태와 가속시킨 조건에서의 흡습량, 불량형태 관계를 파악하서 가속조건을 새로 만들 수 있습니다 (JESD22-A120참조)

4. Precondition 의 IR Reflow

본격적인 가공을 한다는것은 Board에 반도체가 실장되는 과정일 것이고, BGA 기준 이러한 실장과정은 IR Reflow 과정을 통해 대변될 수 있습니다. Solder Ball 이 제품위에 Flux 를 매개로 살짝 붙여진 상태에서 Reflow 과정을 거치면, Solder Ball이 제품에 Mount 되게 됩니다. 이때 이루어지는 Mount 가 곧 고객사 Board에 실장되는 SMT 과정이라고 볼 수 있습니다.
이때 IR Reflow 과정에서 제품에 인가되는 온도의 흐름이 IR Reflow Profile 인데, Solder Ball 이 Mount 되기 위해서 적합한 온도 흐름을 나타낸다고 볼 수 있습니다.

Precondition 과정에서 IR Reflow 3회를 실시하면, Solder Ball이 Mount 되는 과정이자, Board 입장에서는 SMT 라 할 수 있는 과정을 총 3회 실시한 것과 같은게 됩니다.. IR Reflow 3회 실시후 Qual 이 완료되어 Pass가 된다면, 이는 곧 SMT 3회를 보증한다고 할 수 있겠습니다.

그러나, 무조건적으로 SMT 3회를 보증한다고 할 수는 없습니다!
IR Reflow 를 실시하는 과정에서 인가되는 Temperature 의 Profile, 그리고 Reflow 전에 실시되는 MSL3 조건을 지키면서 Board 실장을 진행한다는 전제하에 SMT 3회를 보증한다는것이 근본적인 보증의 조건입니다.

5. Precondition 시험

반도체 신뢰성시험 중, 지구상의 어디에서든 제품이 동작함을 보장한다는 관점으로 온도와 습도 그리고 오염물질의 영향 등을 평가합니다. 사용자환경과 가장 밀접한 시험조건이라는 점에서 중요한 시험으로 인식되고 있습니다. 그러한 시험을 통상 TH (Temperature Humidity), THB (Temperature Humidity Biased), UHAST (Unbiased Highly Accelerated Stress Test), HAST (Highly Accelerated Stress Test) 라고 부릅니다. 이러한 시험들은 사용자 환경, 10년 이상을 모사하는 조건이며, Target하는 불량 메커니즘이 Reflow 스트레스와 밀접한 관계가 있기 때문에 본 시험에 들어가기 앞서, MSL 시험을 먼저 진행 (Preconditioning)합니다