[논문]언더필이 적용된 <tex>$\\mu$</tex>p BGA 솔더 접합부의 열피로특성

고영욱; 김종민; 이준환; 신영의

문제 정의

본 연구에서는 미세 피치 패키지의 하나인 μBGA 패키지 어셈블리를 사용하여, 언더필의 유무에 따른 주기적 열 사이클에 대한 피로 수명을 평가하였다. 이를 위해 이론적 접근 방법의 하나로써 열피로 파단이 예상되는 솔더 접합부 계면에 집중된 응력과 변형율의 분포를 유한요소해석을 통해 살펴보았으며, 여기서 얻어진 소성변형률 진폭 값을 Coffin-Manson 피로 수명예측 식에 적용하여 이론적 피로 수명을 예측하였다.

가설 설정

2는 3차원으로 모델링된 BGA 패키지의 1/4형상과 세부 모델링을 나타낸 것이다. 솔더를 제외한 모든 재료는 등방성 탄성재료로 가정하였으며, 솔더는 높은 유연성과 낮은 항복강도의 특성을 보이므로 온도 의존적인 항복관계를 선형으로 가정하였다. 본 유한요소해석에서 사용된 시편의 각 지료별 물성을 Table 1에 나타내었다$

제안 방법

이를 위해 이론적 접근 방법의 하나로써 열피로 파단이 예상되는 솔더 접합부 계면에 집중된 응력과 변형율의 분포를 유한요소해석을 통해 살펴보았으며, 여기서 얻어진 소성변형률 진폭 값을 Coffin-Manson 피로 수명예측 식에 적용하여 이론적 피로 수명을 예측하였다. 또한, 이론적 결과에 대한 실험적 검증을 병행하기 위하여 실제 언더필 적용 유무에 따른 패키지 어셈블리에 대해, 열 사이클 실험을 수행하여 이론적 피로수명과 실제 실험에서의 피로수명을 비교, 검토하였다. 주기적 열 피로를 받은 시편의 단면은 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 관찰하였다.
또한, 이론적 결과에 대한 실험적 검증을 병행하기 위하여 실제 언더필 적용 유무에 따른 패키지 어셈블리에 대해, 열 사이클 실험을 수행하여 이론적 피로수명과 실제 실험에서의 피로수명을 비교, 검토하였다. 주기적 열 피로를 받은 시편의 단면은 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 관찰하였다.
온도 사이클 시험을 위해 언더필이 적용된 시편과 그렇지 않은 시편 모두 air-to-air 온도 사이클링 챔버에 넣었다. 48zzBGA 시편에 적용된 온도범위는 208- 423K이며 최고/최저온도 유지시간은 5분이며, 한 사이클이 수행되는데 소요되는 시간은 총 30분으로 설정하였다.(Fig.
48zzBGA 시편에 적용된 온도범위는 208- 423K이며 최고/최저온도 유지시간은 5분이며, 한 사이클이 수행되는데 소요되는 시간은 총 30분으로 설정하였다.(Fig. 3)6)온도 사이클 시험을 거친 시편은 SEM을 통해 솔더 접합부의 조직변화 및 피로파괴 정도를 관찰하고 열피로 수명을 검토하였다.
Darveaux는 온도 사이클 조건 하에서의 BGA 솔더 접합부 신뢰성에 대한 유한요소해석 방법론을 제시하였 다2 모델링을 통한 시뮬레이션의 목적은 온도 사이클 시 솔더 접합부에 누적되는 점소성 변형률을 알아내는 데 있다. 본 연구에서는 유한요소해석을 위한 도구로써 ANSYS 5.62 프로그램을 사용했으며, 열해석을 감안하여 JCG 솔버를 채택했다. 모델링은 4X13열의 BGA 패키지가 PCB 위에 접합된 구조를 대상으로 하였고, 모듈 전체는 대칭구조이므로 1/4 모듈만 모델링하였다.
모델링은 4X13열의 BGA 패키지가 PCB 위에 접합된 구조를 대상으로 하였고, 모듈 전체는 대칭구조이므로 1/4 모듈만 모델링하였다. 모델의 구성은 해석의 용이성을 고려하여 결과 값의 오차범위가 최소화되는 조건 내에서 인캡슐런트, 실리콘칩, 구리패드, 솔더 접합부, 언더필의 총 6가지 재질로 단순화시켰다. Fig.
해석의 경계조건으로는 전체 모델에서 절단면에 존재하는 x=0인 노드, y=0인 노드, z=0인 노드를 각각의 축의 방향에 대하여 고정시켰으며, 좌표축에 원점이 되는 노드 또한 모든 방향에 대하여 고정하였다. 하중 조건으로는 시간에 따른 온도변화를 테이블 형식으로 완전한 3사이클을 가하고 모든 노드에 균일한 온도가 발생하도록 설정하였다.
해석의 경계조건으로는 전체 모델에서 절단면에 존재하는 x=0인 노드, y=0인 노드, z=0인 노드를 각각의 축의 방향에 대하여 고정시켰으며, 좌표축에 원점이 되는 노드 또한 모든 방향에 대하여 고정하였다. 하중 조건으로는 시간에 따른 온도변화를 테이블 형식으로 완전한 3사이클을 가하고 모든 노드에 균일한 온도가 발생하도록 설정하였다. 시간에 따라 모델에 가한 온도 사이클곡선은 Fig.
본 연구에서는 μBGA 솔더 접합부의 장기 신뢰성에 미치는 언더필 영향에 대해, 온도 사이클 실험과 유한 요소해석을 통해 검토하고 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 시험에 사용된 48μBGA는 Sn-37Pb 공정 솔더가 적용된 패키지로 패키지면적 대비 칩면적이 큰 CSP 계열이며 현재 휴대용 셀룰러폰에 실제 사용되고 있는 것이다. 시험시편은 active ball 40개와 nonactive ball 8개로 구성되어 있으며, 실제 온도 사이클 시험 후 검토될 대상은 active ball이다.
본 시험에 사용된 48μBGA는 Sn-37Pb 공정 솔더가 적용된 패키지로 패키지면적 대비 칩면적이 큰 CSP 계열이며 현재 휴대용 셀룰러폰에 실제 사용되고 있는 것이다. 시험시편은 active ball 40개와 nonactive ball 8개로 구성되어 있으며, 실제 온도 사이클 시험 후 검토될 대상은 active ball이다. Fig.
62 프로그램을 사용했으며, 열해석을 감안하여 JCG 솔버를 채택했다. 모델링은 4X13열의 BGA 패키지가 PCB 위에 접합된 구조를 대상으로 하였고, 모듈 전체는 대칭구조이므로 1/4 모듈만 모델링하였다. 모델의 구성은 해석의 용이성을 고려하여 결과 값의 오차범위가 최소화되는 조건 내에서 인캡슐런트, 실리콘칩, 구리패드, 솔더 접합부, 언더필의 총 6가지 재질로 단순화시켰다.
파괴수명은 접합부의 형상에 의존하며, 상당소 성변형율(equivalent plastic strain), 반복주파수, 온도의 폭 등에 의해 결정된다. 피로상수는 기존에 발표되었던 Sn-37Pb 솔더의 피로상수 a =0.49, C =0.24를 사용하였다8). 해석결과 언더필이 공급된 패키지의 경우 언더필이 공급되지 않은 패키지에 비해 14 배 큰 파괴수명을 나타내었으며, 이는 언더필이 솔더접합부에 집중되던 응력을 분산시켜 상대적으로 더 작은 소성변형을 일으키기 때문인 것으로 사료된다.

이론/모형

본 연구에서는 미세 피치 패키지의 하나인 μBGA 패키지 어셈블리를 사용하여, 언더필의 유무에 따른 주기적 열 사이클에 대한 피로 수명을 평가하였다. 이를 위해 이론적 접근 방법의 하나로써 열피로 파단이 예상되는 솔더 접합부 계면에 집중된 응력과 변형율의 분포를 유한요소해석을 통해 살펴보았으며, 여기서 얻어진 소성변형률 진폭 값을 Coffin-Manson 피로 수명예측 식에 적용하여 이론적 피로 수명을 예측하였다. 또한, 이론적 결과에 대한 실험적 검증을 병행하기 위하여 실제 언더필 적용 유무에 따른 패키지 어셈블리에 대해, 열 사이클 실험을 수행하여 이론적 피로수명과 실제 실험에서의 피로수명을 비교, 검토하였다.
유한요소해석을 이용하여 구해진 솔더 접합부의 최대 소성 변형율을 Coffin-Manson-2] Low Cycle 피로 수명식에 적용하여 솔더 접합부의 파괴수명 (Nf)을 계산하였다8). 파괴수명은 접합부의 형상에 의존하며, 상당소 성변형율(equivalent plastic strain), 반복주파수, 온도의 폭 등에 의해 결정된다.

성능/효과

이는 본 실험에 사용된 패키지의 구조가 일반 등방형 BGA 구조와 달리 4X10열에 따른, 최외곽 솔더접합부에 대한 응력의 집중이 높아졌기 때문으로 사료된다. 또한 본 실험에 적용된 온도 사이클 조건이 이전 연구에 많이 사용된 온도폭보다 큰 218~ 423K의 온도폭으로 인해 열피로 수명의 단축이 야기되었고, 그에 따라 이전의 연구결과와는 다소 차이가 나는 실험결과를 나타낸 것으로 사료된다. 유한요소 해석에 의한 Nr 측정결과와 마찬가지로 언더필이 적용된 BGA 패키지는 열피로 실험에서도 두드러진 보드 레벨 신뢰성의 증가를 나타내었고, 이런 신뢰성 향상의 주요인은 언더필 재료인 에폭시의 낮은 열팽창계수에 의해 실리콘 다이와 하부 기판의 열팽창의 불일치가 완화되는 것으로 판단된다.
또한 본 실험에 적용된 온도 사이클 조건이 이전 연구에 많이 사용된 온도폭보다 큰 218~ 423K의 온도폭으로 인해 열피로 수명의 단축이 야기되었고, 그에 따라 이전의 연구결과와는 다소 차이가 나는 실험결과를 나타낸 것으로 사료된다. 유한요소 해석에 의한 Nr 측정결과와 마찬가지로 언더필이 적용된 BGA 패키지는 열피로 실험에서도 두드러진 보드 레벨 신뢰성의 증가를 나타내었고, 이런 신뢰성 향상의 주요인은 언더필 재료인 에폭시의 낮은 열팽창계수에 의해 실리콘 다이와 하부 기판의 열팽창의 불일치가 완화되는 것으로 판단된다.
1) 언더필이 공급된 BGA 패키지의 경우 언더필이 공급되지 않은 패키지에 비해 솔더 접합부의 열피로 수명이 평균 10배 이상 증가하였다. 이는 언더필이 패키지와 하부 기판 사이의 열적 변화와 물리적 충격에 따른 응력을 분산시켜 주는 역할을 수행한 것으로 판단된다.
2) 유한요소해석 결과 열피로수명은 언더필이 공급된 패키지의 경우 언더필이 공급되지 않은 패키지에 비해 솔더 접합부의 열피로 수명이 약 15배 이상 증가하였다. 이는 언더필로 인해 소성 변형률 진폭의 값이 감소하여 열피로 수명을 향상시킨 것으로 사료된다.
3) μBGA의 보드 레벨 구성물 중 언더필 재료인 에폭시 계열의 낮은 CTE에 의해 실리콘다이와 하부 기판 사이의 열팽창 불일치가 완화됨으로 주기적 열사이클로 인한 열피로 파괴에 있어서 두드러진 신뢰성의 향상을 보였다.

후속연구

그러나 언더필이 공급된 시편의 경우 피로 수명은 확연한 증가를 보이고 있지만, 사이클이 증가함에 따라 솔더 조직내 그레인 사이즈가 조대해지며 솔 더 범프 형상도 안정성을 잃어가고 있는 것을 볼 수 있다. 이는 언더필로 인한 솔더 내부의 열방출이 억제되기 때문에, 이런 열적 영향에 따른 솔더 조직내 결정입자의 조대화로 인한 야금학적 취약성이 나타나는 것으로 판단되며 이에 대한 더 많은 연구가 필요할 것이다.

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