Q.
반도체에서 습도로인한박리현상이 생기는이유는뭘까요?
반도체에서 습도로인한박리현상이 생기는이유는뭘까요?
궁금해서여쭤봅니다.
알송달송
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- 나비천사쾌남가이루
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- 알천사뱃양반
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반도체 패키징 공정이나 신뢰성 테스트에서 습도로 인한 박리(Delamination) 현상은 제품의 수명을 결정짓는 아주 치명적인 불량 중 하나입니다.
이 현상이 왜 발생하는지, 그 메커니즘을 핵심 위주로 설명해 드릴게요.
가장 큰 원인은 크게 세 가지 단계인 흡습(Moisture Absorption), 열팽창(CTE Mismatch), 그리고 수증기압(Vapor Pressure)의 상호작용으로 요약할 수 있습니다.
1. 흡습 (Moisture Absorption)
반도체 칩을 감싸는 EMC(Epoxy Molding Compound)나 기판(Substrate) 같은 유기 재료들은 미세하게나마 물을 흡수하는 성질이 있습니다. 보관 중이나 공정 대기 중에 대기 속의 수분이 재료 내부로 침투하여 계면(Interface) 사이에 쌓이게 됩니다.
2. 수증기압에 의한 '팝콘 현상' (Popcorn Effect)
이게 가장 결정적인 이유입니다. 수분을 머금은 반도체 패키지가 리플로우(Reflow) 공정처럼 260°C 이상의 고온에 노출되면, 내부에 갇혀 있던 액체 상태의 수분이 순식간에 기체(수증기)로 변합니다.
* 부피 팽창: 물이 수증기로 변하면 부피가 약 1,600배 이상 팽창하려 합니다.
* 폭발적 압력: 좁은 계면에 갇힌 수증기가 엄청난 압력을 생성하며 재료 사이를 벌려버리는데, 이때 '툭'하고 터지는 소리가 난다고 해서 이를 팝콘 현상(Popcorn Effect)이라고 부릅니다.
3. 열팽창 계수 차이 (CTE Mismatch)
고온 상태에서는 각 재료(실리콘 칩, 금속 리드프레임, 수지 등)가 늘어나는 정도가 다릅니다. 이를 열팽창 계수(CTE) 차이라고 합니다.
* 열로 인해 계면 사이의 접착력이 약해진 상태에서 수증기압이 밀어내고, 재료들이 서로 다른 방향/속도로 팽창하면서 결국 약한 연결 부위가 떨어져 나가는(박리) 것이죠.
4. 접착력 약화 (Adhesion Degradation)
수분 자체가 계면의 화학적 결합을 방해하기도 합니다. 금속 표면에 수분이 침투하면 산화막을 형성하거나 공유 결합을 끊어버려, 원래 붙어 있어야 할 재료들 사이의 계면 에너지(Surface Energy)를 떨어뜨려 박리를 가속화합니다.
요약하자면
> 내부에 침투한 수분이 고온에서 급격히 기화하며 발생하는 팽창 압력이 재료 간의 접착력을 이겨내고 벌어지는 현상이라고 이해하시면 정확합니다.
>
그래서 저희 같은 연구원들은 이를 막기 위해 패키징 전 단계에서 재료를 굽는 Baking 공정을 거치거나, 습기 차단 기능이 강화된 MSL(Moisture Sensitivity Level) 관리 규격에 따라 제품을 엄격하게 관리하곤 합니다.
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- 알천사잘난남
답변 채택률 13% 3
반도체 패키징 공정이나 사용 중에 발생하는 습기로 인한 박리(Delamination) 현상은 주로 '수분의 팽창'과 '접착력 약화'라는 두 가지 핵심 기제로 설명됩니다. 가장 대표적인 현상은 마치 옥수수가 튀겨지는 것과 같다고 하여 **'팝콘 효과(Popcorn Effect)'**라고 불립니다.
구체적인 원인과 과정은 다음과 같습니다.
1. 팝콘 효과 (Popcorn Effect)
반도체 패키지의 외부를 감싸고 있는 **EMC(Epoxy Molding Compound)**는 플라스틱 재질로, 미세하게 수분을 흡수하는 성질(흡습성)이 있습니다.
- 수분 흡수: 보관 중이나 공정 대기 중에 대기 속의 수분이 패키지 내부나 층간 계면(Interface)으로 침투합니다.
- 급격한 기화: 이 상태에서 리플로우(Reflow) 공정처럼 고온(약 240~260°C)의 열이 가해지면, 내부에 갇혀 있던 액체 상태의 수분이 순식간에 수증기로 변합니다.
- 내압 상승: 수증기는 액체일 때보다 부피가 수천 배 팽창하며 패키지 내부에 엄청난 압력을 가합니다. 이 압력이 재료 간의 접착 강도를 넘어서면 "퍽" 소리와 함께 층이 벌어지거나 균열이 생기게 됩니다.
2. 계면 접착력 약화 (Adhesion Degradation)
습기는 물리적인 압력 외에도 화학적으로 계면의 결합을 방해합니다.
- 화학적 결합 파괴: 수분 분자가 금속(리드프레임 등)과 폴리머(EMC 등) 사이의 화학적 결합 부위에 침투하여 수소 결합 등을 방해하고 접착력을 떨어뜨립니다.
- 산화 및 부식: 금속 계면에 도달한 수분은 부식을 유발하여 표면 상태를 변하게 만들고, 결국 두 재료가 쉽게 떨어지게 만듭니다.
3. 열팽창 계수(CTE) 차이의 심화
반도체 내부의 실리콘 칩, 리드프레임, EMC는 각각 열을 받았을 때 늘어나는 정도(CTE, Coefficient of Thermal Expansion)가 다릅니다.
- 습기가 스며든 상태에서 열을 받으면 재료들의 팽창 불균형이 더 심해지고, 약해진 계면을 따라 박리가 시작됩니다.
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- 알천사윤이군
답변 채택률 19% 2
반도체에서 습도로 인한 박리 현상은 주로 수분이 재료 사이로 침투하면서 발생해요.
수분이 들어가면 접착층이나 패키지 재료가 팽창하거나 약해져서 층이 분리될 수 있습니다.
또한 습기와 온도 변화가 반복되면 응력 축적으로 인해 박리가 더 쉽게 일어나요.
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본문 106 자
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- 나비천사Olivia
답변 채택률 12% 2
Oh, that's an interesting question! So, when we're talking about semiconductors, they can be quite sensitive to environmental conditions, including humidity. Moisture can seep into the layers of the semiconductor material, causing what's known as delamination. This is where the layers start to separate or peel apart. It happens because the moisture can weaken the adhesive bonds between the layers or cause expansion that puts stress on the material. It's really crucial to control the environmental conditions during manufacturing and storage to prevent such issues. I hope that helps illuminate things a bit!
10 점
본문 520 자
0
- 알천사알통 AI
답변 채택률 24% 0
반도체에서 습도로 인한 박리 현상은 주로 수분이 반도체 재료 사이로 침투하여 물리적, 화학적 변화를 일으키기 때문에 발생합니다. 반도체 제조 과정에서 사용되는 다양한 층과 재료는 서로 다른 물리적, 화학적 특성을 가지고 있습니다. 이러한 재료들은 습도에 노출될 경우, 수분이 층 사이로 침투하여 다양한 문제를 유발할 수 있습니다.
첫째, 수분이 반도체의 접착제 층이나 절연층에 침투하면, 이들 층의 접착력이 약해질 수 있습니다. 이는 층 사이의 결합이 약화되어 박리 현상이 발생할 수 있는 원인이 됩니다. 특히, 고온 다습한 환경에서는 이러한 현상이 더욱 촉진될 수 있습니다.
둘째, 수분은 화학적 반응을 촉진하여 재료의 성질을 변화시킬 수 있습니다. 예를 들어, 수분이 반도체의 금속 층에 도달하면 금속의 산화를 촉진하여 금속의 전기적 특성을 변화시키고, 이에 따라 반도체의 성능이 저하될 수 있습니다.
셋째, 수분은 반도체의 전기적 특성에도 영향을 줄 수 있습니다. 특히, 절연층에 수분이 침투하면 절연 특성이 변화하여 누설 전류가 발생할 수 있으며, 이는 반도체의 효율성과 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
결론적으로, 반도체에서 습도로 인한 박리 현상은 수분의 물리적 침투와 화학적 반응으로 인해 발생할 수 있으며, 이는 반도체의 구조적 안정성을 위협하고 성능을 저하시킬 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하기 위해서는 반도체 제조 과정에서 적절한 밀봉과 보호 코팅을 통해 습기의 침투를 최소화하는 것이 중요합니다.
첫째, 수분이 반도체의 접착제 층이나 절연층에 침투하면, 이들 층의 접착력이 약해질 수 있습니다. 이는 층 사이의 결합이 약화되어 박리 현상이 발생할 수 있는 원인이 됩니다. 특히, 고온 다습한 환경에서는 이러한 현상이 더욱 촉진될 수 있습니다.
둘째, 수분은 화학적 반응을 촉진하여 재료의 성질을 변화시킬 수 있습니다. 예를 들어, 수분이 반도체의 금속 층에 도달하면 금속의 산화를 촉진하여 금속의 전기적 특성을 변화시키고, 이에 따라 반도체의 성능이 저하될 수 있습니다.
셋째, 수분은 반도체의 전기적 특성에도 영향을 줄 수 있습니다. 특히, 절연층에 수분이 침투하면 절연 특성이 변화하여 누설 전류가 발생할 수 있으며, 이는 반도체의 효율성과 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
결론적으로, 반도체에서 습도로 인한 박리 현상은 수분의 물리적 침투와 화학적 반응으로 인해 발생할 수 있으며, 이는 반도체의 구조적 안정성을 위협하고 성능을 저하시킬 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하기 위해서는 반도체 제조 과정에서 적절한 밀봉과 보호 코팅을 통해 습기의 침투를 최소화하는 것이 중요합니다.
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