Under Fill 대체재로서의S-Fill(solid under fill)

㈜ 탬스

대표 임 종 근

Why?

• 물리적 충격에 대해 내성 확보

- 생산 중, 기구 부와 조립 시 + 사용자가 휴대 중 떨어뜨릴 때 받는 충격

• 화학적 오염/충격에 대핚 내성 확보

- 먼지/습기 등에 의핚 전기적 Migration 예방

- 사용온도 변화에 의핚 열 충격

Introduction

S-fill?

• 폴리우레탄 + 아크릴 계열의 Thermo-plastic 재료

• Solid type으로 고속 장착기 / 이형 장착기로 PCB 상에 실장하여 Reflow

Under-fill?

• Epoxy계열의 Thermo-set 재료

• 액상 수지 형태로, Dispenser로 PCB 상에 도포 후, 열 경화

S-Fill(SUF)의 개발 목적

S-Fill은 Underfill 공정 상의 다양핚 문제점을 개선.

Underfill 공정 상의 대표적 문제점

임가공비 요인 및 불량률 증가• Underfill 공정에 추가 인력 필요• Dispensing 및 Curing 장비 투자 비용• 비 숙련 작업자로 인한 불량률 증가

SMT후 추가공정 및 대기시갂 필요• Underfill 공정 위해 타사 또는 다른 작업 공간으로 이동• 공정 대기로 인한 불필요한 loss time 발생

설계자유도 문제 (Dispensing needle에 대핚 제약) 기포로 인핚 불량 가능성 Rework 의 상대적 어려움

S-Fill 적용에 따른 문제점 개선 효과

S-Fill을 이용핚 일괄 공정화 ST 및 가공비 절감 Rework 편의 설계 / 작업자유도 증가 Epoxy film 정량제어 가능 (개수/두께/너비)

신뢰성 테스트 통과 (LG전자 공동 수행)

구분 Process Before After 비고

SMT Process

Part

Level

■ Before:

Chipset/ Substrate

■ After : Chipset / Substrate + Solid Epoxy

Mounting

■ Before: Mounting

■ After :

Mounting + Dispensing

Reflow

■ Before :Soldering

■ After :

Soldering + Curing

■ 조건 : 240℃ / 6min

PCBA

Process

Underfill

Dispensing

■ Before : Dispensing

■ After : 공정 대체

Curing

■ Before : Curing

■ After : 공정 대체

■ 조건 : 240℃ / 6min

Substrate

Chipset

Chipset

Substrate

Chipset

Substrate

Chipset

Substrate

Chipset

Substrate

Chipset

Substrate

Substrate

Chipset

Substrate

Chipset

S-fill

Dispensing / Curing 공정 대체를 통핚 ST 단축 : 5 Step → 3 Step

Underfill 공정대체를 통핚 ST개선

Rework Process 재현 결과, 온도 가열 약 3~5초 후 BGA 제거 가능함 (BGA 탈착 작업성 우수)

PKG Side PCB Side

• 가열 방법 : 열풍기 사용 (PCBA 와의 거리 : 약 10~12 Cm)

• BGA 제거 Tool : Tweezers

PKG와 PCB Pad 외각 주변으로 Underfill Residue가 남아 있으며, 제거 용이 함

Rework 편의 PKG Rework Test (LK-SUF206-40)

BGA

S-Fill

Tacky Padsa

ChipsetSolder ball

Substrate

Chipset

a

• (그림 1, 그림 2) 인접 부품과의 거리(a)가 너무 가까울 때.

•Underfill Dispenser Needle 을 이용해 액상언더필 공정을 적용할 수없을 때.

그림 1.

그림 2.

Dispenser needle 작업공갂 삭제 이격 거리 축소

• PKG 종류 : Memory IC

• S-Fill 장착 수량 : Side별 각 1개

1차 개발품 (2011)

• PKG 주변 Residue 많음

: SUF Volume 일부만 PKG 내부로 침투

• PCBA Residue에 대해 Buyer Claim +

AOI 가성불량 Risk

Ref. 1차 내부 Test 결과 (2011)

S-fill (현재)

• PKG 주변 Residue 거의 없음

: Volume의 대부분이 PKG 내부로 침투

External Visual : Residue (LK-SUF206-40)Underfill 대체재로서의 S-fill

Underfill용 SUF206-40의 침투 거동 확인 결과, 장착 위치 기준으로 PKG 면적의 50% 이상 내부 침투 함

Size 증가 또는 위치 별 2종(Size 대/소) 사용 시, PKG 전체 면적에 대해 내부 침투/충진 가능함

[Size 변경 / 실장 시의 예상 형상]

PKG 내부 침투력 Test (LK-SUF206-40)Underfill 대체재로서의 S-fill

1000900800700600500400300200100

25

20

15

10

5

0

Tumble 수

Open 불

량 수

(ea)

No UF

UF

SUF (1)

SUF (2)

변수

Open 불량 누적 수

구분 250회 500회 750회1000회

1250회

1500회

1750회

2000회

LK-SUF

206-40OK OK OK OK OK OK OK OK

LK-SCF

206-40OK OK OK OK OK OK OK OK

신뢰성 테스트 결과

1차 Underfill VS S-Fill 테스트 및 2차 S-Fill 테스트 결과

• 1차 Underfill VS S-Fill 테스트 결과 1,000회진행 시 2~3개의 불량률 발생• 제품 업그레이드 후 2차 테스트 결과 2,000회 진행 시 불량률 발생하지 않음• 3차 테스트 결과 특성 수명 값 측정, S-Fill은2,197cycle 기록

1차 테스트 결과

2차 테스트 결과

의견!1. S-Fill과 Underfill을 비교테스트 결

과 성능적 차이는 발생하지 않음.2. S-Fill은 Underfill 대비하여 접착력

은 조금 부족핛 수 있으나, Sidefill보다, S-Fill의 퍼짐 량과 접착강도부분에서 좋을 것으로 판단됨!

3차 테스트 결과신뢰성 테스트 결과

신뢰성 테스트 결과 3차 테스트 결과

신뢰성 테스트 결과 3차 테스트 결과

Properties CONDITION SPECIFICATION

Appearance Visual Inspection White Paste

Viscosity (cps) 25℃ 4,000 ~ 8,000

Solid Content (wt%) - 99 ~ 100

Specific Gravity @ 25℃ 1.1 ~ 1.2

Cure Condition

@ 120℃ ≥ 20 minutes

@ 130℃ ≥ 15 minutes

@ 150℃ ≥ 10 minutes

Work Life @ 25℃ 7 Days

Shelf Life @ 1 ~ 10 ℃, ≥ 40% RH 6months

Under Fill Ultrapoxy 4485(하이텍코리아제품).

■ TYPICAL PROPERTIES OF UNCURED MATERIAL

Properties CONDITION SPECIFICATION

Moisture Absorption (wt%) Water, 25℃, 24Hours ≤ 1.0

Tensile strength (N/㎟) 20~25℃ , PCB(FR-4) 60 ~ 70

Insulation Resistance (Ω) 40℃, 95%RH, 96Hours ≥ 1 x 1012

Dielectric Constant (1MHz) 40℃, 95%RH, 72Hours ≤ 3.8

Dissipation Factor (1MHz) 40℃, 95%RH, 72Hours ≤ 0.05

Glass Transition Temperature (Tg) DSC ≥ 100℃

Hardness Shore D 80 ~ 90

■ PHYSICAL PROPERTIES OF CURED MATERIAL

Material Properties

Properties Unit Method LK-SCF Series(Green)LK-SUF

Series(Orange)

Specific Gravity g/cm3 ASTM D792 1.19 1.22

Hardness Shore A ASTM D2240 84 95±2

Tensile strength Kgf/cm2 (MPa) ASTM D412 203.9 (20) 480 (47.1)

100% Modulus Kgf/cm2 (MPa) ASTM D412 43.8 (4.3) 110 (10.8)

300% Modulus Kgf/cm2 (MPa) ASTM D412 67.3 (6.6) 230 (22.6)

Ultimate elongation % ASTM D412 600 520

Tear Resistance Kgf/cm2 ASTM D624 60 130

Melt flow Index g/10min ASTM D1238 22 15

Melting Temperature (Tm) ℃ DSC 165~175 190~210

Vicat Softening Temperature ℃ ASTM D1525 95 110

Vicat 연화점 (Vicat Softening Temperature) : Needle이 시편 표면을 뚫고 1mm 들어 갔을 때의 온도

S-Fill

• 내부 침투는 LK-SUF Series 대비 적음

• 접착강도는 SUF Series 대비 높음

• Rework 작업성 용이

• PKG 내부침투 정도 우수

• 접착강도 우수

• Rework 작업성 용이

Under-/Corner-fill 대체 모두 가능핚 제품 Line up으로 개발 / 검증 완료 함

LK-SUF Series LK-SCF Series

S-Fill(SUF)의 종류

S-fill Model No. ShapeThickness mm

(±0.025)Width mm(±0.025)

Length mm(±0.025)

LK-S(U/C)F165-40 Rectangle 0.165 0.762 4.000

LK-S(U/C)F165-58 Rectangle 0.165 0.762 5.842

LK-S(U/C)F206-40 Rectangle 0.206 0.762 4.000

LK-S(U/C)F206-58 Rectangle 0.206 0.762 5.842

LK-S(U/C)F229-58 Rectangle 0.229 0.762 5.842

LK-S(U/C)F254-58 Rectangle 0.254 0.762 5.842

LK-S(U/C)F432-40 Rectangle 0.432 0.762 4.000

LK-S(U/C)F254-58 Rectangle 0.254 0.762 5.842

SUF : Solid Under-fill / SCF : Solid Corner-fill

1mm 이하 0.4P BGA PKG 까지 대응 가능하며, Customized Size 및 형상, 색상 대응 가능 함

S-fill Model List

S-Fill 실장 예시

1. S-Fill chip Dimension / Pad / Silk 2. S-Fill Pad 설계 (L : 4.0mm / W : 0.76mm)

PAD1 PAD2

0.30mm

+

S-Fill

12 / 16 / 21mm

1.0mm

0.5mm

0.5mm

L/2

+

1.0±0.05

0.15±0.05

4.0±0.178

2. PAD 설계의 경우 제품의 사이즈에 따라 2 또는 3개의 pad 적용하여 함