PCB 조립 향상: 첨단 언더필(Underfill) 기술

언더필 기술 분류

언더필은 모세관 흐름 이론 기반의 유동성 언더필과 비유동성 언더필로 나뉩니다. 현재 BGA, CSP 등 칩에 적용 가능한 언더필 기술로는 모세관 언더필 기술, SMT 핫멜트 접착 시트 기술, ACA(이방성 전도 접착제) 및 ACF(이방성 전도 필름) 기술, ESC(에폭시 캡슐화 솔더 연결) 기술 등이 있습니다. 모세관 언더필과 SMT 핫멜트 시트 기술은 솔더링 플럭스와 필러가 독립적인 반면, ACA/ACF 기술과 ESC 기술은 플럭스와 필러가 결합돼 있습니다.

모세관 언더필 기술

모세관 유동 이론: 우수한 유동성의 액상 에폭시 수지 등을 BGA, CSP 칩 주변에 떨어뜨리면 모세관 작용으로 칩 하단과 PCB 사이 공간에 액상 수지가 빨려 들어갑니다. 이후 가열 또는 자외선 경화로 수지, 솔더링된 칩, PCB를 고정해 솔더 포인트 보호, 응력 피해 감소, 솔더 포인트 신뢰성 향상을 도모합니다.

모세관 언더필은 PCB 칩 언더필과 플립칩 패키징 분야에 적용됩니다. 칩 하단 솔더 볼이 받는 응력을 분산시켜 PCB 전체 신뢰성을 높입니다. 공정 순서: 1) 솔더 페이스트 인쇄된 PCB에 BGA, CSP 등 표면실장 칩 마운트 2) 리플로 솔더링으로 합금 연결 형성 3) 칩 솔더링 후 분배 기술로 칩 하단 1~2개 모서리에 언더필 재료 주입 4) 재료가 칩 하단으로 흐르며 칩-PCB 사이 공간 채움.

모세관 언더필은 신뢰성을 크게 높이지만, 전용 장비, 충분한 공장 공간, 정교한 조작 가능 인력이 필요합니다. 또한 PCB 조립 완료 후에만 적용 가능하며, 조작 난이도, 시간·에너지 소모, 필량 제어 어려움 등 단점이 있어 일부 핵심 칩이나 PCB 기판과 열팽창 계수 차이가 극심한 칩에만 한정 적용됩니다. 따라서 PCB 조립 전반에 대량 적용되지는 않습니다.

SMT 핫멜트 접착 시트 기술

RoHS, WEEE 규정을 준수하며 무독성, 할로겐 프리, 중금속 잔류 없음, 우수한 절연성, 표준 호환 경계 치수, 정밀한 크기, 광학 식별 마운트 용이 등의 장점을 가집니다. SMT 핫멜트 접착 시트는 PCB와 BGA/CSP 사이에 마운트돼 일반 납/무납 솔더링 공정과 호환됩니다. 용융 과정에서 솔더 영향을 받지 않으며, 용매 증발 없음, 세정 불필요 등 특성으로 이상적인 PCB 필러 재료로 각광받습니다. 공정 흐름도는 그림 1과 같습니다.

그림 1

그림 1 기준, SMT 핫멜트 시트 기술 적용은 IC 칩 마운트 전 핫멜트 시트 마운트 단계가 추가되는 것입니다. 즉, 언더필 필요한 BGA/CSP 칩을 IC 칩 마운트 전 핫멜트 시트로 마운트한 뒤, 리플로 솔더링에서 칩 솔더링과 언더필을 동시에 완료해 리필 단계를 생략합니다. 소량 생산 PCB의 언더필에 매우 적합합니다.

ACA 및 ACF 기술

ACA와 ACF 기술은 솔더링과 언더필을 동시에 완료해 공정과 비용을 절감합니다. 둘 다 매트릭스 수지와 전도성 필러로 구성된 전도성 접착제로, ICA(등방성 전도 접착제)와 ACA(이방성 전도 접착제)로 분류됩니다. ACA는 필러 타입 전도 접착제로 전도 연결과 동시에 언더필을 완료합니다. 형태에 따라 겔 타입과 박막 타입으로 나뉘며, 박막 타입 ACA를 보통 ACF(이방성 전도 필름)라고 부릅니다. ACA는 Z축 방향으로만 전도되고 X, Y축 방향으로는 비전도성입니다. 절연층이 전도 입자층 위에 있어 입자 간 비전도 상태이며, 칩 범프와 PCB 패드 사이 응력으로 절연층이 압착될 때만 Z축 전도성이 확보됩니다.

ESC 기술

ESC(Epoxy Encapsulated Solder Connection, 에폭시 캡슐화 솔더 연결) 기술은 ACF 대신 '페이스트 입자+수지' 재료를 사용하는 신기술입니다. 공정: 1) PCB 패드에 솔더 페이스트 수지 접착제 도포 2) 칩 범프를 PCB 패드에 정렬 마운트 3) 가열 압착으로 솔더링과 수지 경화 동시 완료.

언더필 리웍(Rework)

현 기술로는 양품 칩 공급을 완벽 보장할 수 없어 PCB 테스트 단계에서 불량 칩이 발견되는 경우가 많습니다. 리웍과 교체 수요가 큰 이유입니다. PCB 칩 언더필 재료가 우수한 열 안정성과 불용성을 가지면 리웍 난이도가 높아지고 심지어 PCB 전체를 폐기해야 할 수도 있습니다. 에폭시 수지에 약한 화학 결합을 도입하면 경화 후 가열이나 시약 첨가로 수지 분해가 가능해져 언더필 리웍이 훨씬 수월해집니다.

PCB에 언더필 기술 적용 시 BGA, CSP 등 일부 칩의 솔더 조인트 강도 향상, 낙하 내성, 내열 사이클 성능, 신뢰성 개선 효과가 있어 향후 PCB 조립에 대량 적용될 전망입니다.

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