[논문]리드 프레임 블랭킹 공정의 마찰특성에 관한 연구

고대철; 김동환; 김문경; 김병민

doi:10.5228/kspp.2006.15.6.428

문제 정의

펀치 파손의 형태는 펀치의 미세 두께부 측면에서 발생하며, 이 부위가 리드 두께보다 적을 때 소재의 변형저항 즉 소재가 펀치측면에 작용하는 압력이 펀치 파단강도 보다 크기 때문에 파손의 위험이 더욱 커지게 된다. 따라서 본 연구에서 측방압력을 목적함수로 고려하여 설계변수에 따른 유한요소해석을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 반도체 리드 프레임 재료의 기계적 특성 평가를 위한 인장시험 및 마찰시험을 수행하고, 리드 프레임 재료에 따른 마찰 특성이 블랭킹 공정의 전단 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 클리어런스에 따른 마찰 특성평가를 위하여 유한요소해석을 수행하였다.
본 연구에서는 리드 프레임 블랭킹 공정의 펀치 파손 저감 연구를 위한 기초 연구로써 리드 프레임 재료의 마찰특성에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 리드 프레임 재료에 따른 기계적 특성 및 마찰 특성을 D/B 화 하였으며, 마찰계수와 클리어런스에 따른 전단특성을 해석적으로 평가하였다.
본 연구에서는 리드 프레임 소재의 탄성계수, 인장강도, 항복응력, 연신율, 이방성 계수 등의 기계적 특성을 얻기 위하여 ASTM E517-00 규격의 인장 시편에 대한 인장시험을 수행하여 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 재료는 일반 니켈합금과 열처리용 니켈합금 그리고 구리소재로 구분되며, 제조사와 소재특성 별로 분류하였다.
또한 클리어런스에 따른 마찰 특성평가를 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 본 연구의 목적은 리드 프레임의 전단특성에 대한 설계 인자들의 영향 파악으로 금형파손저감 및 제품 불량 발생을 최소화하는데 있다.
펀치의 파단강도를 평가하기 위해서는 펀치강도시험을 하고 이를 목적함수로 해야 하나, 본 연구에서는 공정조건에 따른 상대비교를 하기 위한 해석을 하고 이를 통해 펀치 측방압력의 저감설계를 수행하였다.

가설 설정

85를 모든 소재에 동일하게 적용하였다. 실제 연성파단값은 각 소재마다 다르지만 본 연구에서는 동일하게 가정하였으며, 소재 두께의 30% 성형 후에 각 소재 및 소재의 클리어런스에 따른 측방압력을 평가하였다.
클리어런스는 각 소재 두께의 3%, 4% 그리고 5%에 대하여 해석을 수행하였다. 실제로 파단을 결정하는 상수인 damage 값은 각 소재마다 다르지만, 본 연구에서는 동일하게 가정하였고 소재 두께의 30% 성형 후에 각 소재와 소재의 클리어런스에 따른 측방압력을 해석적으로 평가하였다.

제안 방법

127mm) 인장시험 및 마찰시험을 수행하였으며, 그 결과를 D/B 화하였다. 그리고 리드 프레임 블랭킹공정에 대한 유한요소해석을 수행하여 마찰계수와 클리어런스에 따른 전단특성을 평가하였다. 해석 결과로부터 마찰계수가 큰 소재가 펀치의 측방압력, 버 저감 및 양호한 전단면을 얻을 수 있었으며, 리드 프레임 전단 특성에 유리하다는 사실은 알 수 있었다.
버의 해석적 측정은 유한요소해석 시 요소(element)수, 전단면의 요소 크기에 따라 달라지는 값이며, 정확한 측정은 어렵다. 따라서 본 연구에서는 동일한 요소 수와 요소 크기로 세 가지 리드소재에 대한 해석을 수행하여 그 정성적인 량을 상대 비교하였다. 세가지 소재 YEF42TH-A, DF42N-HS, YEF42A에 대한 버의 해석적 평가결과, 마찰계수가 가장 큰 소재인 YEF42A 소재가 버가 가장 작았으며, 다음으로 DF42N-HS 그리고 마찰계수가 상대적으로 낮은 YEF42TH-A소재가 다른 두 소재보다 버가 크다는 것을 알 수 있었다.
45345010A05 그리고 ③ 54tsop scorpions(Tab!e 3)소재에 대하여 타발유를 도포한 조건과 무윤활 조건으로 각각 실험하였다. 또한 금형의 연마방향 별 마찰특성을 평가하기 위하여소재 인줄방향에 수평방향(HS: horizontal stoning) 과수직방향(OS: orthogonal stoning)에 대하여 마찰 금형을 각각 연마하여 연마방향에 따른 마찰시험을 수행하였다(Fig. 3).
고찰하였다. 또한 클리어런스에 따른 마찰 특성평가를 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 본 연구의 목적은 리드 프레임의 전단특성에 대한 설계 인자들의 영향 파악으로 금형파손저감 및 제품 불량 발생을 최소화하는데 있다.
리드 프레임용 각 소재별 클리어런스에 따른 파단 특성과 펀치에 작용하는 측방압력을 평가하기 위하여 각 소재의 기계적 물성과 마찰계수를 입력하여 전단해석을 수행하였다. Table 4 에는 본 해석을 위하여 리드 프레임용 각 소재에 따른 클리어런스와 마찰계수를 나타내었다.
리드 프레임용 소재에 대한 마찰계수를 측정하기 위하여 사용된 장비는 UTM 60ton 유압프레스 (Fig. 2)이며, 마찰시험을 위해 평판 마찰시험 금형을 제작하였다. 본 연구에서 사용된 금형의 소재는 초경 (WC)이며, 평판 마찰시험의 개략도 및 마찰 금형 연마방향을 Fig.
마찰계수에 따른 소재의 전단특성을 평가하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석은 상용 유한 요소 코드인 DEFORM 을 이용하였고, 마찰계수를 달리하여 소재의 파단 시점과 펀치에 작용하는 측방압력을 평가하였다.
마찰실험 시 소재에 파단이나 넥킹 (necking)이 발생하면 소재의 마찰특성을 정확히 평가하지 못하므로 이를 고려하여 본 마찰시험에서의 적정 누름압력을 5kgi7cm² 으로 설정하였다. 실제 공정에 사용되는 리드 프레임 소재 폭을 그대로 이용하였기 때문에 시편의 길이는 400mm 로 동일하나, 폭은 시편에 따라 다르다.
본 연구에서 펀치 파손의 원인 중 하나인 공정설계 문제점을 해결하기 위하여 타발 펀치의 파손 저감에 주안점을 두고 리드 프레임 재료별 기계적 물성 치 와 마찰특성 평 가시험 을 수행 하였으며 , 설계변수로 각 소재에 따른 타발 시 마찰조건 및 클리어런스의 조건을 고려하였고, 목적함수로 크랙 생성 전 소재 두께의 30% 성형시 발생하는 펀치 측방압력을 고려하였다. 펀치 파손의 형태는 펀치의 미세 두께부 측면에서 발생하며, 이 부위가 리드 두께보다 적을 때 소재의 변형저항 즉 소재가 펀치측면에 작용하는 압력이 펀치 파단강도 보다 크기 때문에 파손의 위험이 더욱 커지게 된다.
본 연구에서는 기존 연구를 토대로 클리어런스를 리드 두께의 4%로 고정하고, 두께의 45%에서 파단이 되는~연성파단값(damage value)을설정하여 해석에 사용하였다.
본 연구에서는 리드 프레임 블랭킹 공정 시 펀치 파손저감설계를 위한 기초연구로 리드 재료(C₇₀25, EFTEC-64T, YEF42-TH-A, YEF42-A, A42-LS, DF42N-HS, Ni alloy 42 Yamaha metal, Ni alloy 42 Hitachi metal)의 두께별(0.125mm, 0.127mm) 인장시험 및 마찰시험을 수행하였으며, 그 결과를 D/B 화하였다. 그리고 리드 프레임 블랭킹공정에 대한 유한요소해석을 수행하여 마찰계수와 클리어런스에 따른 전단특성을 평가하였다.
본 연구에서는 타발유의 윤활특성 평가를 위하여① no.46848010011, ② no.45345010A05 그리고 ③ 54tsop scorpions(Tab!e 3)소재에 대하여 타발유를 도포한 조건과 무윤활 조건으로 각각 실험하였다. 또한 금형의 연마방향 별 마찰특성을 평가하기 위하여소재 인줄방향에 수평방향(HS: horizontal stoning) 과수직방향(OS: orthogonal stoning)에 대하여 마찰 금형을 각각 연마하여 연마방향에 따른 마찰시험을 수행하였다(Fig.
소재 재료특성과 마찰계수의 관계를 평가하기 위하여 YEF42TH-A, DF42N-HS, YEF42A의 세가지 소재에 대하여 유한요소해석을 수행하였다. 재료의 인장강도는 YEF42TH-A가 683.
이를 위하여 리드 프레임 재료에 따른 기계적 특성 및 마찰 특성을 D/B 화 하였으며, 마찰계수와 클리어런스에 따른 전단특성을 해석적으로 평가하였다. 그러나, 유한요소해석 시 보다 정확한 정량적 평가를 위해서는 리드 소재별 연성파단 시험 및 펀치 재료의 강도시험을 수행되어야 하며, 이에 따른 해석적 기법개발이 필수적이다.
1에 나타내었다. 재료는 일반 니켈합금과 열처리용 니켈합금 그리고 구리소재로 구분되며, 제조사와 소재특성 별로 분류하였다. 특히 EFTEC- 64T 소재에 대해서는 0。, 45°, 90。방향으로 시험편을 채취하여 이방성 시험을 수행하였고, 그 결과를 Table 2 에 나타내었다.
Table 4 에는 본 해석을 위하여 리드 프레임용 각 소재에 따른 클리어런스와 마찰계수를 나타내었다. 클리어런스는 각 소재 두께의 3%, 4% 그리고 5%에 대하여 해석을 수행하였다. 실제로 파단을 결정하는 상수인 damage 값은 각 소재마다 다르지만, 본 연구에서는 동일하게 가정하였고 소재 두께의 30% 성형 후에 각 소재와 소재의 클리어런스에 따른 측방압력을 해석적으로 평가하였다.
펀치 측방압력의 해석은 펀치를 강체로 가정하고 각 조건에 따라 리드두께 30%까지 전단 성형을 수행한 후 펀치와 접촉하는 소재절점의 수직 압력 (normal pressure)을 펀치 형상에 보간하여 측방압력으로 평가하였으며, 측방압력과 소재 전단부 및 변형 형상을 설계변수에 따라 비교 및 평가하였다.
유한요소해석을 수행하였다. 해석은 상용 유한 요소 코드인 DEFORM 을 이용하였고, 마찰계수를 달리하여 소재의 파단 시점과 펀치에 작용하는 측방압력을 평가하였다. 먼저 YEF42A 소재에 대하여 마찰계수를 0.

대상 데이터

본 연구에서 고려한 리드 두께는 Table 4에 나타낸 바와 같이 0.125mm~0.127mm 로 차이가 있지만, 중간값인 약 0.126mm 소, 재두께를 기준으로 리드 두께 4%의 클리어런스 조건에서 두께의 45%에서 크랙이 생성되는 연성파단값 0.85를 모든 소재에 동일하게 적용하였다. 실제 연성파단값은 각 소재마다 다르지만 본 연구에서는 동일하게 가정하였으며, 소재 두께의 30% 성형 후에 각 소재 및 소재의 클리어런스에 따른 측방압력을 평가하였다.
2)이며, 마찰시험을 위해 평판 마찰시험 금형을 제작하였다. 본 연구에서 사용된 금형의 소재는 초경 (WC)이며, 평판 마찰시험의 개략도 및 마찰 금형 연마방향을 Fig. 3 에 나타내었다.

데이터처리

마찰시험 조건은 Table 3의 조건으로 시편을 준비하였으며, 모든 시편에 대하여 타발유를 도포하여 소재를 인출 방향으로 50mm 당긴 다음 그때까지의 측정된 인출 하중으로부터 식(2)를 이용하여 마찰계수를 계산하였다. 각 시편에 대한 마찰시험은 최소 3회 반복 수행하여 그 평균값을 취하였다. 시험결과를 보면 Fig.

이론/모형

113으로 가장 작다. 해석은 이전과 동일한 방법으로 DEFORM을 이용하였으며, 그 결과를 Fig 6(b) 에 나타내었다. 펀치에 작용하는 측방압력은 강도가 가장 큰 소재인 YEF42TH-A소재가 가장 크고, 다음이 DF42N-HS 그리고 YEF42A의 순으로 나타났다.

성능/효과

마찰계수가 가장 큰 YEF42-A 소재의 경우, 소재 두께의 30% 성형 시 매우 매끈한 전단면을 가짐을 해석적으로 알 수 있었다. 따라서, 이 결과로부터 소재의 전단 시 유사한 재질을 갖는 소재라 하더라도, 마찰계수가 비교적 큰 소재가 전단특성에 보다 유리하다는 사실을 알 수 있다.
9 에서 알 수 있듯이 인장강도가 큰 소재가 측방압력은 크게 나타나고 있지만, 측방압력이 가장 낮은 소재는 마찰계수가 가장 큰 소재인 YEF42-A 임을 알 수 있다. 또한 인장강도와 마찰계수가 낮은 EFTEC₆₄T 소재의 측방압력은 비교적 크게 나타났다.
본 연구에서는 리드 프레임 타발 현장에서 세가지 소재(YEF42TH-A, DF42N-HS, YEF42A)에 대한 평균 버(burr)의 상대비교 결과로부터, 해석적 결과와 비교하였으며 그 결과 유한요소해석으로 예측하였던 마찰계수가 큰 소재가 양호한 전단면을 가진다는 것을 확인할 수 있었다. 버의 해석적 측정은 유한요소해석 시 요소(element)수, 전단면의 요소 크기에 따라 달라지는 값이며, 정확한 측정은 어렵다.
따라서 본 연구에서는 동일한 요소 수와 요소 크기로 세 가지 리드소재에 대한 해석을 수행하여 그 정성적인 량을 상대 비교하였다. 세가지 소재 YEF42TH-A, DF42N-HS, YEF42A에 대한 버의 해석적 평가결과, 마찰계수가 가장 큰 소재인 YEF42A 소재가 버가 가장 작았으며, 다음으로 DF42N-HS 그리고 마찰계수가 상대적으로 낮은 YEF42TH-A소재가 다른 두 소재보다 버가 크다는 것을 알 수 있었다. 해석 및 현장의 평가 결과로부터 마찰계수가 큰 소재가 양호한 전단면을 얻는데 유리한 것으로 판단되며, 일반적으로 강도와 열전도도가 함께 큰 합금이 이상적인 리드 프레임 재료로서 요망되나 본 연구의 결과로부터 미세 피치 리드 프레임의 정밀 타발을 위해서는 마찰 특성도 고려되어야 함을 알 수 있었다[13].
시편 ① no.46848010011, ② no.45345010A05, ③ 54tsop scorpions에 대하여 윤활과 무 윤활 조건으로 마찰시험을 수행하여 그 결과를 Fig. 4에 나타내었으며, 타발유를 도포한 경우에 마찰계수가 낮아짐을 확인할 수 있었다. 특히 54tsop scorpions 소재는 무 윤활 상태의 마찰계수는 0.
각 시편에 대한 마찰시험은 최소 3회 반복 수행하여 그 평균값을 취하였다. 시험결과를 보면 Fig. 5에 도시된 바와 같이 소재를 당기는 방향이 금형의 연마방향과 수평인 경우가 수직인 경우보다 마찰계수가 낮음을 알 수 있었다. 이 결과는 연마 방향이 소재 방향과 일치하는 경우가 금형과 소재의 접촉 시 타발유의 윤활효과가 더 크다는 것을 말해준다[12].
인장강도가 가장 큰 소재인 C₇₀25 1/2H 소재의 마찰계수는 낮은 편이고 따라서 상대적인 펀치의 측방압력도 매우 크다는 사실을 알 수 있었다.
재료의 인장강도는 YEF42TH-A가 683.15MPa로 가장 크고, DF42N-HS는 641.70MPa 그리고 YEF42A는 624.82 MPa으로 가장 작다. 마찰계수는 YEF42A가 0.
8 에는 해석 후, 각 소재와 소재의 클리 어런스에 따른 펀치의 측방압력을 그래프로 나타내었다. 측방압력은 클리어런스가 클수록 작고 클리어런스가 작을수록 크게 나타났다. 인장강도가 가장 큰 소재인 C₇₀251/2H 소재가 측방압력은 가장 크게 나타났다.
해석은 이전과 동일한 방법으로 DEFORM을 이용하였으며, 그 결과를 Fig 6(b) 에 나타내었다. 펀치에 작용하는 측방압력은 강도가 가장 큰 소재인 YEF42TH-A소재가 가장 크고, 다음이 DF42N-HS 그리고 YEF42A의 순으로 나타났다. 강도가 큰 소재인 YEF42TH-A 소재의 경우, 소재 두께의 30% 성형 시 파단이 시작되는 것을 볼 수 있었다.
6(a)에 나타내었다. 해석 결과로부터 마찰계수가 낮을 때가 소재의 파단이 조기에 발생하며 펀치에 작용하는 측방압력도 큼을 알 수 있었다. 마찰계수가 클 때, 펀치에 작용하는 측방압력이 작다는 것은 힘의 평형식에서도 확인할 수 있으며, 일반적으로 소재는 파단 시점이 늦을수록 전단면이 크고 파단면이 작은 양호한 전단면을 얻을 수 있으므로 마찰계수가 큰 소재가 타발에 유리하다.
그리고 리드 프레임 블랭킹공정에 대한 유한요소해석을 수행하여 마찰계수와 클리어런스에 따른 전단특성을 평가하였다. 해석 결과로부터 마찰계수가 큰 소재가 펀치의 측방압력, 버 저감 및 양호한 전단면을 얻을 수 있었으며, 리드 프레임 전단 특성에 유리하다는 사실은 알 수 있었다. 본연구의 시험결과 및 CAE 해석 적용은 신규 개발제품의 불량예측 및 기존제품의 불량요인 해결에 활용 가능하며, 향후 초정밀, 초소형 반도체 부품설계를 위한 CAE 해석의 적용 방법이 지속적으로 개발되어야 할 것이다.
세가지 소재 YEF42TH-A, DF42N-HS, YEF42A에 대한 버의 해석적 평가결과, 마찰계수가 가장 큰 소재인 YEF42A 소재가 버가 가장 작았으며, 다음으로 DF42N-HS 그리고 마찰계수가 상대적으로 낮은 YEF42TH-A소재가 다른 두 소재보다 버가 크다는 것을 알 수 있었다. 해석 및 현장의 평가 결과로부터 마찰계수가 큰 소재가 양호한 전단면을 얻는데 유리한 것으로 판단되며, 일반적으로 강도와 열전도도가 함께 큰 합금이 이상적인 리드 프레임 재료로서 요망되나 본 연구의 결과로부터 미세 피치 리드 프레임의 정밀 타발을 위해서는 마찰 특성도 고려되어야 함을 알 수 있었다[13].

후속연구

그러나, 유한요소해석 시 보다 정확한 정량적 평가를 위해서는 리드 소재별 연성파단 시험 및 펀치 재료의 강도시험을 수행되어야 하며, 이에 따른 해석적 기법개발이 필수적이다. 또한, 미세 피치 리드프레 임의 블랭킹 시에 발생하는 리드의 ShiR, Space Twist(Tilt)등의 발생 원인 및 설계 인자들의 영향 파악을 통한 제품 불량 발생을 최소화하기 위해해석기법의 개발 및 적용이 필수적으로 요구된다. 본 연구의 시험 결과 데이터를 이용하여 향후 리드 프레임 블랭킹 공정 시 재료변수, 공정변수 및 클리어런스와의 상관관계에 따른 파 단 특성이 연구되어야 하며, 특히 이러한 설계인자의 영향 파악을 통한 제품 불량 발생을 최소화하는 설계변수조합이 선정되어야 할 것이다.
또한, 미세 피치 리드프레 임의 블랭킹 시에 발생하는 리드의 ShiR, Space Twist(Tilt)등의 발생 원인 및 설계 인자들의 영향 파악을 통한 제품 불량 발생을 최소화하기 위해해석기법의 개발 및 적용이 필수적으로 요구된다. 본 연구의 시험 결과 데이터를 이용하여 향후 리드 프레임 블랭킹 공정 시 재료변수, 공정변수 및 클리어런스와의 상관관계에 따른 파 단 특성이 연구되어야 하며, 특히 이러한 설계인자의 영향 파악을 통한 제품 불량 발생을 최소화하는 설계변수조합이 선정되어야 할 것이다.
해석 결과로부터 마찰계수가 큰 소재가 펀치의 측방압력, 버 저감 및 양호한 전단면을 얻을 수 있었으며, 리드 프레임 전단 특성에 유리하다는 사실은 알 수 있었다. 본연구의 시험결과 및 CAE 해석 적용은 신규 개발제품의 불량예측 및 기존제품의 불량요인 해결에 활용 가능하며, 향후 초정밀, 초소형 반도체 부품설계를 위한 CAE 해석의 적용 방법이 지속적으로 개발되어야 할 것이다.

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