Nowadays, many electronic products have become multifunctional and small. To follow this trend, SiP package is needed and used for many products now. Among SiP, embedded die SiP package become popular due to smaller size from embedded die and higher electrical performance from shorter interconnection length. However, the reliability issues of embedded die SiP will occur due to complicated structure of it.
Therefore system-in-package (SiP) with an embedded die also needs reliability data and the effect of embedded die on the SiP reliability was investigated.
Drop, bending and thermal cycling test were performed to board level package samples and pre-conditioning (pre-con) test was performed to module level samples. Also, finite element method (FEM) simulation was done to find out what position of BGA solder is weak during thermal cycling test.
Through drop and bending reliability tests, it is found that the embedded die did not affect reliability of SiP package means failure position was corner of BGA solder. However, in the T/C test the failed BGA bumps position was different from that of prevalent package that consist of simply die and board using BGA bumps due to the structure of package.
현재 많은 전자 기기들은 경박단소화, 다기능화의 추세를 따라 발전해 오고 있다. 이러한 추세를 뒷받침 할 수 있는 패키징 기술 중에 하나로 System-in-Package 기술이 각광 받고 있으며 또한 현재 많은 전자기기에 적용되고 있다. 이러한 System-in-Package의 종류 중에 기판에 칩이 내장되어 있는 System-in-Package는 다른 종류의 System-in-Package 보다 칩이 내장되어 있기 때문에 공간적으로 수직 방향을 활용하여 더 작은 크기의 패키지 구현이 가능하고, 접속 길이의 절감으로 더 나은 전기적 특성을 띌 수 있는 장점이 있다.
하지만, 칩이 내장되어 있는 System-in-Package는 구조가 다소 복잡해 지기 때문에 다양한 사용환경에 노출 되었을 때 내부 충격성이나 이종재료간의 열팽창 계수 차이에 의한 내부 응력에 의한 신뢰성 저하가 우려가 되고 또한 이러한 패키지의 신뢰성에 대한 연구가 부족하다. 따라서 우리가 흔히 사용 중에 발생 할 수 있는 낙하 충격, 잦은 사용으로 인한 피로, 사용환경의 온도변화에 따른 내부 물질의 열팽창 계수의 차이에 따른 내부 응력, 이 세가지를 고려하여 각각의 사용환경과 유사한 낙하충격, 굽힘, 열사이클 신뢰성 테스트를 수행하였다. 이와 더불어 패키지 모듈을 테스트 보드에 실장 하기 전에 모듈의 보관 환경이나 그 기간을 시험하기 위한 사전 환경 테스트 (pre-conditioning) 또한 수행되었다. 이를 통하여 칩이 내장되어 있는 시스템 인 패키지의 신뢰성을 연구하고 또한 내장되어 있는 칩이 패키지의 신뢰성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다.
사전 환경 테스트에서는 JEDEC 기준에 맞춰 시험한 결과 패키지 모듈을 보드에 실장하기 전까지 보관할 수 있는 환경과 그 시간을 정할 수 있었다. 또한, 낙하 충격과 굽힘과 같은 기계적 신뢰성 테스트에서는 알려져 있는 것과 같이 P rich 한 니켈 층의 존재 유무와 솔더의 물성에 영향을 받아 Cu-OSP 패드가 ENIG 패드보다, SAC 105가 SAC 305보다 좋은 신뢰성을 보였고 파괴가 일어난 솔더 볼의 위치는 패키지의 중심에서 가장 먼 코너 쪽이었다. 열 사이클과 같은 열적 신뢰성 테스트에서는 SAC 305와 Cu-OSP 조합이 가장 나은 신뢰성을 보였다. 이는 열 사이클과 같이 열팽창 계수 차이에 의한 내부응력이 계속 가해지고 고온 분위기가 반복적으로 일어나는 환경에서는 크립변형이 주로 일어나는데 크립 물성이 결과에 큰 영향을 미쳤다. 하지만 기계적 신뢰성 테스트와는 달리 파괴가 일어난 솔더 볼의 위치는 코너가 아닌 안쪽에서 났으며 이를 규명하기 위해 유한 요소법 시뮬레이션을 적용하여 분석하였다. 시뮬레이션을 통해 패키지의 구조 중에서 내장된 칩과 기판 위에 실장된 플립칩이 이러한 파괴 위치의 변화에 영향을 준 것으로 밝혀졌다.
따라서 본 연구를 통하여 칩이 내장된 시스템 인 패키지의 신뢰성이 연구되었고, 내장된 칩은 기계적 신뢰성에는 영향을 미치지 않았지만 열적 신뢰성에서는 내장된 칩과 플립칩이 함께 파괴된 솔더 볼의 위치를 변화시키는 것을 확인하였다.
