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문제 정의
- 본 연구에서는 열 분석법으로 언더필의 물성을 분석하고 언더필의 점성이 디스펜싱 과정에 미치는 영향을 시뮬레이션으로 해석하였다.
가설 설정
- 10에 나타내었다. 이때 언더필이 디스펜싱되는 출입구의 온도는 80°C , 언더필의 주입 속도는 5 mm/sec, 언더필의 주입 압력은 50 psi로 BGA 패키지 사이로 디스펜싱된다고 가정하였고 시간 간격을 0.382초로 지정하여 언더필의 점도에 따른 유동 흐름의 거동 특성을 관찰하였다.
제안 방법
- 실험조건은 -50 〜 250°C 온도 구간에서 주파수를 1, 10. 50, 100 Hz로 변화시키며 질소 분위기에서 실험을 실시하였다.
- 언더필의 댐핑 특성은 언더필을 150°C 온도에서 10분 동안 경화시킨 후 얇은 필름형상 (2x10x0.5mm)으로 가공하여 동역학 분석 (dynamic mechanical analysis, 이하 DMA, Seiko Co)을 실시하였다. 실험조건은 -50 〜 250°C 온도 구간에서 주파수를 1, 10.
- 언더필의 열팽창계수는 열적-기계적 분석 (thermal mechanical analysis, 이하 TMA : Seiko Co)을 -50 〜 250°C 온도 구간에서 승온 속도를 3, 5, 10, 20°C/min으로 변화시키며 질소 분위기에서 실험을 실시하였고 이때 하중은 50 mN였다.
- 언더필의 유리전이 온도 (glass transition tem perature : 이하 Tg)는 시차주사열량 측정 (differential scanning calorimetry, 이하 DSC, Seiko Co)을 이용하여 25 〜 250°C 온도 구간에서 승온 속도를 3, 5, 10, 20°C/min으로 변화시키면서 질소 분위기에서 실시하였다. 언더필의 열화 특성(thermal degradation) 은 열중량 측정 (thermo gravimetry analysis, 이흐} TGA, Seiko Co)를 이용하여 25 〜 600°C 온도 구간에서 승온 속도를 5, 10, 20, 40°C/min으로 변화시키면서 대기 분위기에서 실험을 실시하였다.
- 언더필의 유리전이 온도 (glass transition tem perature : 이하 Tg)는 시차주사열량 측정 (differential scanning calorimetry, 이하 DSC, Seiko Co)을 이용하여 25 〜 250°C 온도 구간에서 승온 속도를 3, 5, 10, 20°C/min으로 변화시키면서 질소 분위기에서 실시하였다. 언더필의 열화 특성(thermal degradation) 은 열중량 측정 (thermo gravimetry analysis, 이흐} TGA, Seiko Co)를 이용하여 25 〜 600°C 온도 구간에서 승온 속도를 5, 10, 20, 40°C/min으로 변화시키면서 대기 분위기에서 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- Sn-37Pb 솔더의 지름은 650 #이고 Si와 FR-4 기판의 두께는 500 #이다. 각 솔더의 피치는 1mm이고 25개의 솔더로 구성되어진 BGA 패키지 형상을 사용하였다. 그리고, 시료 A, B, C 언더 필의 점도는 각각 4, 600 cps, 6, 000 cps, 4, 000 cps값을 사용하였다.
- 1은 본 연구에서 사용된 BGA 패키지 모델의 형상이다. 시뮬레이션에서 사용된 Si, Sn-37Pb 솔더, FR-4 기판의 열팽창계수는 각각 2.8 ppm/°C, 18 ppm#C, 24.5 ppm/°C이다. Sn-37Pb 솔더의 지름은 650 #이고 Si와 FR-4 기판의 두께는 500 #이다.
이론/모형
- DSC 실험 결과를 In(0/Tp2)와 (1/Tp) 사이의 관계를 나타내는 Kissinger 방법#)과 ln(0)와 (1/Tp) 사이의 관계를 나타내는 Ozawa 방법8-9)을 이용하여 해석하면 경화 반응에 필요한 활성화 에너지 (activation energy for curing reaction) > 구 할 수 있다. 활성화 에너지를 계산하기 위한 Kissinger 방법과 Ozawa 방 법을 아래의(1)과 (2)식으로 나타내었다.
- 위식에서, E는 활성화 에너지, 日은 기 체 상수, a는 변환 정도, 。는 승온 속도, Tp는 발열 구간의 최대 온도를 각각 나타낸다. Fig. 4에 시료 C 언더필을 Kissinger 와 Ozawa 방법을 이용하여 계산한 활성화 에너지를 나타내었다. Kissinger 방법으로 계산된 활성화 에너지는 시료 C 언더필의 경우 63 kJ/mol, A와 B는 각각 74 kJ/mol와 105 kJ/m이로 계산되었다.
- L. Nguyen 등⑹은 언더필의 유동 현상 해석을 FEM (finite element method) 등과 같은 전산 모사법으로 시도하였다. 본 연구에서 Star CD (computational dynamics, co)를 이용하여 유동 현상을 시뮬레이션 해석하기 위한 패키지의 형상을 Fig.
성능/효과
- 1) 비 등온 DSC 결과로부터 승온 속도가 증가할수록 언더필의 유리전이 온도와 발열 구간이 고온 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있었으며 발열 구간의 영역이 좁아지는 것은 열적 지연 효과에 의하여 발생되어지는 것이라 판단된다. 승온 속도에 따른 경화 반응에 필요한 활성화 에너지를 구한 결과 시료 C< A< B 의 순서로 활성화 에너지가 높은 것을 확인할 수 있었다.
- 2) TGA 결과로부터 승온 속도가 증가할수록 언더필의 Tio (전체 무게에 대한 무게손실이 10% 될 때의 온도)의 온도도고온쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 승온 속도에 따른 첫 번째 열화 과정에 대한 활성화 에너지를 구한 결과 시료 C< A< B 의 순서로 활성화 에너지가 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
- 3) DMA 실험 결과로부터 주파수에 의한 분해에너 지의 최대 온도를 나타내는 tan 6값은 시료 C< B< A의 순서로 높은 값을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 시료 C 언더 필이 다른 언더필보다 외부 주파수에 의해 쉽게 분해되는 것을 의미한다.
- 4) TMA 실험 결과로부터 언더 필 경화 후 50°C 〜 150°C 온도 구간에서 시료 B< C< A의 순서로 외부에서 열을 가했을 때 언더필의 길이 변형률 변화가 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 5) 언더 필 시료 A, B, C는 각각 4, 600 cps, 6, 000 cps, 4, 000 cps의 점도 값을 갖는 것을 고려하여 언더필의 유동 흐름에 대한 시뮬레이션을 실시한 결과 언더필이 BGA 패키지 안으로 완전하게 디스펜싱되는데 각각 1()1초, 150초, 100초의 시간이 걸리는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터 점도가 높은 언더필일수록 패키지 안으로 완전하게 디스펜싱되는데 많은 시간이 요구되는 것을 확인할 수 있었다.
- 따라서, 주변의 높은 주파수는 필러와 필러, 필러와 폴리머 수지 사이의 분해 에너지를 증가시키고 길이 변형률을 증가시켜 유리전이 온도 근처에서 수지의 구조가 최대로 완화되기에 길이 변형률이 최대가 된다 3). Fig. 8로부터 주파수에 의한 분해에너지 (dissipation energy)의 최대 온도를 나타내는 tan 6값이 시료 C< B< A의 순서로 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었고 이 tan 6는 길이 변형률이 최대가 되는 언더필의 유리전 이온도 를 나타내므로 외부 주파수에 의한 언더필의 유리전이온도는 시료 C< B< A의 순서로 높은 온도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 시료 C 언더 필이 다른 A와 B 언더필에 비하여 외부 주파수에 의해 쉽게 분해될 것이라 사료된다.
- 이와 같은 결과는 외부 주파수에 대한 시료 A 언더 필의 체인 결합 매트릭스 구조가 시료 B와 C 언더필에 비하여 강하다는 것을 의미한다. 또한, 높은 저장 계수를 갖는 언더필이 높은 손실계수를 갖는다는 것을 확인할 수 있었다. Lau*는 주파수가 증가하면 저장 계수도 증가한다고 보고하고 있다.
- 언더필이 디스펜싱되는 곳에서 거리가 멀리 떨어진 패키지 부분에서는 상대적으로 거리가 가까운 패키지 부분에 비해 주입 압력이 약하기 때문에 언더필의 유동 속도가 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 솔더볼 주변 부분에서는 언더필이 솔더볼에 맞부딪히는 현상에 의해 언더필의 유동이 빨라지는 것을 확인할 수 있었다.
- 1) 비 등온 DSC 결과로부터 승온 속도가 증가할수록 언더필의 유리전이 온도와 발열 구간이 고온 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있었으며 발열 구간의 영역이 좁아지는 것은 열적 지연 효과에 의하여 발생되어지는 것이라 판단된다. 승온 속도에 따른 경화 반응에 필요한 활성화 에너지를 구한 결과 시료 C< A< B 의 순서로 활성화 에너지가 높은 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 시료 C 언더 필이 동일한 열량을 가하였을 때 시료 A와 시료 B 언더 필보다 빠른 상변태가 일어날 것이라 사료된다.
- 2) TGA 결과로부터 승온 속도가 증가할수록 언더필의 Tio (전체 무게에 대한 무게손실이 10% 될 때의 온도)의 온도도고온쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 승온 속도에 따른 첫 번째 열화 과정에 대한 활성화 에너지를 구한 결과 시료 C< A< B 의 순서로 활성화 에너지가 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 시료 C 언더 필이 시료 A와 B보다 무게 손실 반응에 필요한 에너지가 적을 것이라 사료된다.
- 9는 승온 속도 5°C/min의 조건에서 실시한 TMA 실험 결과이다. 언더필 경화 후 50 〜 150°C 온도 구간에서 시료 B< C< A의 순서로 길이 변형률 변화가 큰 것을 확인할 수 있었다. 열팽창계 수 차이가 작은 언더필이 열피로 특성이 우수하다는 결과가 보고되고 있다 4).
- 언더필이 패키지의 오른쪽 아래 부분부터 채워지면서 완전히 패키지의 내부를 채우는 데 소요되는 시간이 대략 1()1초 정도임을 확인할 수 있었다. 언더필이 디스펜싱되는 곳에서 거리가 멀리 떨어진 패키지 부분에서는 상대적으로 거리가 가까운 패키지 부분에 비해 주입 압력이 약하기 때문에 언더필의 유동 속도가 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 솔더볼 주변 부분에서는 언더필이 솔더볼에 맞부딪히는 현상에 의해 언더필의 유동이 빨라지는 것을 확인할 수 있었다.
- 11은 BGA 패키지의 오른쪽 아래 모서리에서 시료 A 언더필을 디스펜싱하였을 때의 유동 흐름을 시뮬레이션한 결과이다. 언더필이 패키지의 오른쪽 아래 부분부터 채워지면서 완전히 패키지의 내부를 채우는 데 소요되는 시간이 대략 1()1초 정도임을 확인할 수 있었다. 언더필이 디스펜싱되는 곳에서 거리가 멀리 떨어진 패키지 부분에서는 상대적으로 거리가 가까운 패키지 부분에 비해 주입 압력이 약하기 때문에 언더필의 유동 속도가 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
- 5는 승온 속도 5°C/min 조건에서 분석한 TGA 결과를 나타낸다. 이 결과로부터 Tio(전체 무게에 대한 무게손실이 10% 될 때의 온도)의 온도가 전체적으로 시료 C (312°C) < B (315°C) < A (336°C)의 순서로 높다. 이는 시료 A 언더 필이 B와 C 언더필에 비하여 상대적으로 우수한 내열 특성을 가지고 있다는 것을 의미한다.
- 5) 언더 필 시료 A, B, C는 각각 4, 600 cps, 6, 000 cps, 4, 000 cps의 점도 값을 갖는 것을 고려하여 언더필의 유동 흐름에 대한 시뮬레이션을 실시한 결과 언더필이 BGA 패키지 안으로 완전하게 디스펜싱되는데 각각 1()1초, 150초, 100초의 시간이 걸리는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터 점도가 높은 언더필일수록 패키지 안으로 완전하게 디스펜싱되는데 많은 시간이 요구되는 것을 확인할 수 있었다.
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