PCB 칩의 맨하탄 현상(Manhattan phenomenon)의 원인과 대책

PCB 칩의 맨하탄 현상(Manhattan phenomenon)의 원인과 대책

 

 

 

1. 맨하탄 현상 이란?

 

1) 맨하탄 발생 개요

Reflow가열때 Pad중 한쪽의 납땜이 다른 쪽의 납땜 부분보다 빨리 용융 되었기 때문에 용융된 한쪽의 땜납의 표면장력에 의해 Chip의 한쪽이 빨려 들어 위로 솟아 올랐을 때 일어난다. 꼭 뉴욕의 맨하탄의 빌딩과 유사하다는 데서 맨하탄 현상이라고 하며, 일명 Tombstone (비석) 현상이라고도 한다.

 

2) 맨하탄 발생 요인

맨하탄 현상은 주로 SMT(Surface Mount Technology) 공정 중, 리플로우(납땜) 과정에서의 열 불균형 때문에 발생합니다.

2-1) 리플로우 시 온도 불균형

한쪽 패드가 먼저 녹아 표면장력에 의해 부품이 한쪽으로 ‘끌려 올라감’

 

2-2) 패드 간 납량 불균일

납페이스트 양이 한쪽이 많고 한쪽이 적을 때, 표면장력 차이 발생

 

2-3) 칩 배치 불량

부품이 처음부터 패드 중앙에 정확히 배치되지 않음

 

2-4) 납페이스트 점도 문제

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점도가 너무 낮거나 높아, 인쇄 후 균일하지 않음

 

2-5) PCB 패턴 설계 문제

패드 크기나 간격이 불균일한 경우

 

 

2. 맨하탄 발생 진행과정(Process)

1단계) 금속 배선 패턴 설계

· 반도체 칩은 상하 방향(수직)과 좌우 방향(수평)으로 금속 배선을 설계합니다.

· 이때 배선이 직각(90°)으로 교차하는 형태가 많아 “맨해튼 패턴”이라고도 부릅니다.

 

(2단계) 포토리소그래피(Photolithography)

· 금속층 위에 포토레지스트(PR) 를 도포하고, 노광과 현상 과정을 거쳐 금속 배선 패턴을 만듭니다.

· 여기서 패턴의 모서리 부분이 과다 노광이나 식각 불균일 등으로 인해 손상되기 쉽습니다.

 

(3단계) 금속 식각(Etching)

· PR이 덮이지 않은 부분의 금속이 식각됩니다.

· 하지만 식각 방향의 비등방성(anisotropy) 이 완벽하지 않으면, 금속의 모서리 부분이 남거나 불규칙하게 깎임이 생깁니다.

 

(4단계) 잔여 금속(Bridge) 형성

· 배선 모서리 부분이나 교차부 근처에 금속 잔여물(residue) 이 남아, 서로 다른 배선 사이를 미세하게 연결(브리징) 합니다.

· 이때 생기는 모양이 도시의 격자 도로망처럼 보이기 때문에 ‘맨해튼 현상’ 이라 부릅니다.

 

(5단계) 전기적 단락(Short) 발생

· 잔여 금속이 서로 다른 회로선을 연결하면서 전기적 단락(short) 이 발생 → 칩 불량(chip defect) 으로 이어집니다.

 

(6단계) 검사 및 보정

· EDS(E-beam Defect Scan)이나 전기적 테스트를 통해 단락 위치를 찾아냅니다.

· 이후 공정 조건(식각 시간, 플라즈마 세기, PR 두께 등)을 조정해 재발을 방지합니다.

 

 

< Fig01. 부품을 장착한 상태 >

 

< Fig02. 젖음(Wetting) 개시 >

 

< Fig03. Flux&Gas 움직임 >

 

< Fig04. 칩의 일어섬(맨하탄 현상) >

 

 

3. 맨하탄 현상 방지 대책

1) 납페이스트 관리

점도 유지, 인쇄 두께 균일, 사용 시간 관리

 

2) 리플로우 프로파일 최적화

예열 구간 온도 차 최소화, 리플로우 상승 속도 조정

 

3) 칩 위치 정밀도 향상

실장기기의 위치 보정 기능 활용

 

4) PCB 패드 설계 최적화

좌우 대칭 패드 크기, 동일한 납량 확보

 

5) 기판 청결 유지

표면 오염 방지 (플럭스 잔류물 등)