반도체 패키지의 리드 들뜸을 빠르고 정확하게 측정하는 방법

최근 스마트폰이나 태블릿, 웨어러블 디바이스 등의 소형·슬림화, 자동차의 통신·전자 제어화의 증가 등의 외부 환경 변화로 인해, 전자 디바이스의 실장 품질·신뢰성에 대한 요구가 높아지고 있습니다. 그 중에서도 반도체 패키지(리드 프레임 패키지)의 핀의 경우, 들뜸이 있으면 접속 불량이나 접속부의 강도가 저하되기 때문에 특히 주의가 필요합니다.
이 페이지에서는 리드 프레임이나 리드 들뜸에 관한 기초 지식과 기존의 리드 들뜸 측정에서의 과제, 과제 해결 뿐만 아니라 작업 효율과 정확성을 비약적으로 향상할 수 있는 최신의 측정 방법을 설명합니다.

리드 프레임(리드)이란?
리드 프레임(리드)의 재질·가공·용도
리드 들뜸·접속 불량 등 표면 실장에서의 문제와 대책
기존의 리드 들뜸 측정 과제
- 하이트 게이지에서 리드 들뜸 측정 과제
- 3차원 측정기를 이용한 리드 들뜸 측정 과제
리드 들뜸 과제 해결 방법
요약: 기존에는 어려웠던 리드 들뜸의 측정을 비약적인 스피드·정도로 실현

리드 프레임(리드)이란?

「리드 프레임(lead frame)」이란 IC나 LSI 등의 반도체 패키지에서 반도체 칩(반도체 소자)을 지지·고정하는 것과 동시에 패키지에서 지네 다리처럼 나온 복수의 외부 접속 단자 「아우터 리드」로 외부 배선과 접속하는 부품입니다.
이러한 형태의 반도체 패키지 완성품은 「리드 프레임 패키지」라고도 불리고 수지로부터 노출되어 있는 아우터 리드는 단순히 「리드」라고도 불립니다. 리드 프레임 각부의 명칭과 반도체 패키지 내부의 구조는 아래 그림을 통해 확인하실 수 있습니다.

리드 프레임(리드)의 재질·가공·용도

리드 프레임(리드)은 일반적으로 Cu 합금(구리 합금)계 소재나 철 합금계 소재 등 전기 전도도·기계적 강도·열전도도·내식성 등이 우수한 얇은 판을 사용합니다.
이 길고 얇은 판을 순서대로 정밀 프레스(펀칭·조리개·굽힘) 가공합니다. 이에 따라 반도체 칩(반도체 소자)을 지지 고정하는 「다이 패드」나 반도체 소자와 배선되는 「이너 리드」, 외부 배선과 접속하는 「아우터 리드」 등을 성형합니다. 또한 리드 프레임의 제조 공정에는 기계 가공 이외에도 에칭이나 도금 등 표면 처리 공정이 있습니다.
리드 프레임은 IC나 LSI 등의 집적 회로 패키지 외에 이산 반도체나 포토커플러, LED 등에도 사용합니다. 모두 반도체 소자의 각 전극과 이너 리드를 내부 접속하는 방법으로 와이어 본딩이 을 사용합니다.

리드 들뜸·접속 불량 등 표면 실장에서의 문제와 대책

최근 전자 디바이스의 소형화와 전자 회로의 고밀도화에 따라 리드 프레임과 그 접속에는 보다 엄격한 정밀도가 요구되고 있습니다. 표면 실장 공정에서 아우터 리드의 치수나 형상, 다점 평탄도 불량은 실장시 결함의 원인이 됩니다. 또한 리드의 표면처리 불량이나 리플로우 열부족에 의한 땜납 페이스트(솔더 크림)의 확산(습윤) 부족, 리플로우 조건의 부적절에 의한 땜납의 용융 부족 나아가 기판의 휨 등 다양한 조건에 의해서도 표면 실장 디바이스(SMD)의 「리드 들뜸」이 생겨 접속 불량이나 접점 강도의 저하에 연결됩니다.
리드 들뜸 등 대표적인 실장 불량의 원인이나 대책의 예는 다음과 같습니다.

리드 들뜸(부품 들뜸)

현상: 아우터 리드 등 전자 부품의 단자에 땜납이 붙지 않고 떠오른 상태.
원인: 땜납 인쇄 또는 부품의 위치 어긋남, 땜납 인쇄량 또는 용융 시간의 불균일, 리드 등 단자의 변형, 탑재기 프레스 불충분.
대책: 위치 어긋남의 수정, 플럭스 함유량의 저감, 리드 등 단자 형상의 검사·관리, 인쇄 조건의 검토, 리플로우 조건의 검토.

땜납 미용융

현상: 땜납이 충분히 용융하지 않고 분말이 잔류. 실장 부품의 접속 강도 저하나 리드 들뜸 등이 발생.
원인: 리플로우 조건 부적합, 땜납 페이스트의 열화.
대책: 리플로우 조건의 재검토, 땜납 페이스트 보관 방법의 확인이나 변경.

미땜납

증상: 마운트 패드에 땜납이 없거나 매우 적습니다.
원인: 땜납 페이스트 인쇄량의 부족, 마운트 패드·리드의 표면 상태나 땜납 페이스트의 열화에 의한 습윤 부족, 리플로우시의 열량 부족.
대책: 마운트 패드·리드의 표면·인쇄 마스크·땜납 페이스트의 상태 확인, 리플로우 조건의 재검토.

땜납 확산 부족

현상: 땜납이 마운트 패드나 리드에 충분히 습윤 확산되지 않고 접속 부분의 강도 저하나 리드 들뜸 등이 발생.
원인: 땜납 페이스트 인쇄량 부족, 마운트 패드·리드·땜납 페이스트 열화, 열량 부족.
대책: 마운트 패드·리드의 표면·인쇄 마스크·땜납 페이스트의 상태 확인, 리플로우 조건의 재검토.

땜납량 불균일

현상: 땜납부의 땜납량이 일정하지 않다. 리드 들뜸이나 접속 불량의 원인이 된다.
원인: 땜납 페이스트의 인쇄성(분리성)이 낮고 인쇄 조건이 적당하지 않다.
대책: 땜납 페이스트·인쇄 조건의 검토.

기존의 리드 들뜸 측정 과제

실장된 반도체 패키지 하나에 다수의 리드가 붙어있는 리드의 접속 상태를 확인하는 것은 쉽지 않습니다. 특히 전자부품의 소형화·실장 기판의 고밀도화에 따른 환경 변화로 측정의 난이도가 증가하고 있습니다.
기존의 하이트 게이지나 3차원 측정기를 이용한 리드의 들뜸(높이) 측정에서는 다음과 같은 과제가 있었습니다.

하이트 게이지에서 리드 들뜸 측정 과제

하이트 게이지는 다이얼 게이지와 조합하여 높이를 측정할 수 있습니다.
측정이 점으로 제한되며 정밀도를 높이려면 시간을 들여 다점을 측정해야 합니다. 그러나 많은 시간을 들여 다점 측정을 한다고 해도 면 전체의 상태를 파악할 수 없습니다.

또한 고밀도 기판 실장에서의 반도체 디바이스 리드의 경우 협착부의 극소 부분에 접촉하여 측정하는 것이 어려운 경우가 있습니다. 게다가 사람에 의한 측정 결과의 편차나 측정기 자체의 오차에 의해 안정된 측정은 할 수 없습니다.

3차원 측정기를 이용한 리드 들뜸 측정 과제

3차원 측정기로 측정하기 위해서는 대상 물체의 측정 부분의 복수의 부위에 프로브 선단의 접촉자를 맞추어야 합니다.
그러나 접촉자의 측정압으로 기판이나 부품이 조금이라도 휘어지면 측정값에 편차가 생깁니다.

또한 반도체 패키지의 리드 부분은 작기 때문에 미리 측정기의 프로그래밍을 정밀하게 해야 합니다. 또한 리드 접속부의 크기와 배치에 따라 측정 자체가 어려울 수 있습니다.

리드 들뜸 과제 해결 방법

기존에 사용되고 있는 접촉식 측정기는 입체적인 대상 물체·측정하는 면을 점으로 접촉해야 하므로 측정에 시간이 걸립니다. 또한 사람에 의한 편차 등 측정값의 신뢰성이 낮고 수치의 데이터화와 후처리도 쉽지 않은 등의 과제가 있었습니다.

이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다.
대상 물체의 3D 형상을 비접촉으로 면에서 정확하게 포착할 수 있습니다.또한 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이 때문에 측정 결과의 편차 없이 순간적으로 정량 측정을 실시하는 것이 가능합니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.

장점 1: 최고 속도 1초. 「면」으로 대상 물체 전체의 3D 형상을 일괄 취득.

「VR 시리즈」는 최고 속도 1초만에 면 데이터(원 샷으로 80만점의 데이터)를 취득할 수 있기 때문에 지금까지 다점 측정에 걸렸던 시간을 비약적으로 단축할 수 있습니다. 대상 물체 전체의 3D 형상을 정확하게 측정하고 신속하게 평가할 수 있습니다.
또한 컬러맵에서 여러 리드 높이의 차이를 가시화할 수 있으므로 어떤 리드가 어떤 값으로 떠 있는지 한눈에 파악할 수 있습니다. 게다가 한 번 스캔하면 나중에 어떤 위치에서나 프로파일 데이터를 얻을 수 있으므로 상세한 상태도 파악할 수 있습니다.

장점 2: 작은 대상 물체라도 정량적인 측정을 쉽게 실현

저배율/고배율 카메라를 전환함으로써 반도체 디바이스의 리드와 같은 작은 대상 물체의 전체/세부도 정확하게 3D 스캔할 수 있습니다.

또한 대상 물체를 스테이지 위에 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단 조작으로 3D 형상을 측정할 수 있습니다. 대상 물체의 특징 데이터로부터 자동적으로 위치 보정이 가능하기 때문에 엄격한 위치 결정을 할 필요가 없습니다. 경험이나 지식을 불문하고 사람에 의한 편차 없이 정량적인 측정이 가능하기 때문에 N 수 중가가 가능합니다.
설정에서도 측정 범위를 자동 설정·스테이지 이동하는 「Smart Measurement 기능」을 업계에서 최초로 탑재해 측정 길이나 Z 범위 등을 하나하나 설정하는 수고를 할 필요가 없어졌습니다.

요약: 기존에는 어려웠던 리드 들뜸의 측정을 비약적인 스피드·정도로 실현

「VR 시리즈」라면 고속 3D 스캔을 통해 비접촉으로 리드의 들뜸이 각 부품의 실장 상태 등 면 전체의 정확한 3D 형상을 순식간에 측정할 수 있습니다.

최고 속도 1초. 면에서 파악한 복수의 리드의 들뜸(높이)을 컬러 맵으로 파악할 수 있어 임의의 단면 프로파일 측정으로 상세한 데이터를 얻을 수 있습니다.
소형이고 섬세한 실장 부품의 전체/세부도 배율의 전환으로 비접촉으로 고정도의 형상을 측정할 수 있습니다.
개별로 위치를 결정할 필요가 없기 때문에 특별한 사용 경험이나 지식이 필요하지 않습니다. 대상 물체를 스테이지에 놓고 버튼을 누르는 간단한 조작만으로 측정할 수 있습니다.
3D 형상을 컬러 맵으로 표현 가능. 시각적으로 알기 쉽게 데이터 공유가 가능하여 자료 연동이나 대책수립도 원활하게 진행할 수있습니다.
간단하게 여러 개의 측정 데이터의 정량적 비교・분석을 할 수 있습니다.

여러 측정 데이터를 나란히 비교하거나 설정의 일괄 반영으로 데이터를 분석할 수 있습니다. 3D 형상 데이터의 공유로 측정 작업에서 불량 해석, 불량 대책까지 비약적인 시간 단축·효율화를 실현합니다.

INDEX