[논문]Wire Bonding PBGA 패키지의 솔더볼 그리드 패턴에 따른 열-기계적 거동

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[국내논문] Wire Bonding PBGA 패키지의 솔더볼 그리드 패턴에 따른 열-기계적 거동
Thermo-mechanical Behavior of Wire Bonding PBGA Packages with Different Solder Ball Grid Patterns 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.16 no.2, 2009년, pp.11 - 19

초록
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모아레 간섭계를 이용하여 와이어 본딩 플라스틱 볼 그리드 (WB-PBGA) 패키지의 열-기계적인 거동 특성을 연구하였다. 실시간 모아레 간섭계를 이용하여 각 온도단계 에서 변위분포를 나타내는 간섭무늬를 각각 얻고, 그로부터 굽힘변형 거동 및 솔더볼의 변형률에 대한 해석을 비교하여 수행하였다. 본 실험에서는 full grid와 perimeter with central connections 및 perimeter의 배열 형태를 갖는 세 가지 패키지를 사용하였으며, 이 배열 형태를 비교하여 굽힘변형 및 솔더볼의 평균변형률을 자세하게 해석하였다. 솔더볼의 유효변형률은 WB-PBGA-FG의 경우 칩 가장자리 바로 바깥쪽 솔더볼에서, WB-PBGA-P/C의 경우 가운데 연결 솔더볼의 가장 바깥 솔더볼에서, WB-PBGA-P의 경우는 칩과 가장 기까운 안쪽 솔더볼에서 최대값을 가지는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thermo-mechanical behaviors of wire-bond plastic ball grid array (WB-PBGA) package assemblies are characterized by high-sensitivity moire interferometry. Using the real-time moire setup, fringe patterns are recorded and analyzed for several temperatures. Experiments are conducted for three types of WB-PBGA package that have full grid pattern and perimeter pattern with/without central connections. Bending deformations of the assemblies and average strains of the solder balls are investigated, with an emphasis on the effect of solder interconnection grid patterns, Thermal strain distributions and the location of the critical solder ball in package assemblies are quite different with the form of solder ball grid pattern. For the WB-PBGA-PC, The largest of effective strain occurred in the inner solder ball of perimeter closest to the chip solder balls. The critical solder ball is located at the edge of the chip for the WB-PBGA-FG, at the most outer solder ball of central connections for the WB-PBGA-P/C, and at the inner solder ball closest to the chip for the WB-PBGA-P.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 특성으로 모아레 간섭 법은 최근에 초소형 전자 부품들의 열변형해석。 13)등에 효과적으로 이용되어 왔다. 본 논문에서는 높은 I/O 개수의 반도체 패키지로 널리 쓰이고 있는 wire-bond plastic ball grid array (WB-PBGA) 패키지를 대상으로 하여 온도변화에 따르는 열변형 실험과 그 해석을 수행하였다. WB-PBGA 패키지를 PCB와 솔더볼로 연결할 때는 여러 배열 형태를 가질 수 있으며, 이러한 배열 형태에 따라 패키지 전체의 변형 거동과 솔더볼의 국부 응력이 달라질 수 있다.
본 논문에서는 모아레 간섭계를 이용하여 세 가지 형태의 솔더볼 배열을 갖는 雄-PBGA 패키지 결합체의 온도변화에 대한 거동을 해석하였고 이를 통하여 다음의 결론을 얻었다.

제안 방법

또한 여러 솔더볼 중에서 파손 가능성이 높은 솔더볼을 미리 예측할 수 있다면, ATC 시험과 같은 신뢰성 시험에서는 위험한 솔더볼을 집중하여 검사할 수 있으므로 훨씬 효율적으로 시험을 수행할 수 있으며, 유한요소 해석에서도 파손 가능성이 높은 솔더볼을 국부 해석함으로써 해석의 신뢰성을 높일 수 있다. 본 논문에서는 실시간 모아레 간섭계를 이용하여 각 온도단계 에서 변위분포를 나타내는 간섭무늬 를 각각 얻고, 그로부터 굽힘 변형 거동 및 솔더볼의 변형률에 대한 해석을 비교하여 수행하였다.
평면 내의 2차원 변위를 측정하기 위하여 패키지 결합체(패키지+솔더볼+PCB)로부터 솔더볼의 단면이 보이도록 시편을 절단해 내고, 솔더볼들의 직경이 가장 크게 되도록 표면을 연마하여 아주 매끄럽게 하였다. 시편 절단 과정에서 포함된 수분을 제거하기 위하여 패키지를 오븐에 넣고 80。(2의 온도에서 2시간 동안 유지시켰다.
사용하였다. 시편을 온도 챔버 안에서 고정한 후 거울들을 정렬하고 계간섭 계 전체에 강체회 전을 주어 시 편과 간섭계 의 방향을 일치시켰다. 이렇게 하여 간섭무늬가 가능한 없어진 초기변위 장(null field)를 얻고 이때부터 시편에 온도변화를 주었다.

대상 데이터

본 실험에서는 Fig. 1과 같이 3가지 종류의 솔더 배열 형태를 갖는 WB-PBGA 패키지가 사용되었다. Full grid (WB-PBGA-FG) 패키지는 27x27mm 크기의 패키지에 피치가 L5mm인 225개의 솔더볼들이 바둑판 모양으로 꽉 찬 배열 형태를 가지고 있고, perimeter with central connections (WB-PBGA-P/C) 패키지는 30x30 mm 크기의 패키지에 피치가 1.
온도변화에 따른 미소변형을 측정하기 위한 실험 장치는 Fig. 2와 같이 모아레 간섭계와 온도 챔버 및 광학 장치로 구성되어 있다. He-Ne 레이저에서 발생된 빛은 작은 렌즈에 의해 퍼지게 되고 이와 연결된 광섬유의 끝에서 구면의 파면으로 퍼진 빛은 6"의 포물면 거울 (parabolic mirror)에서 반사된 후 평행 광(collimated beam) 으로 변화되어 진행한다.

성능/효과

9는 각각의 패키지에 대하여 V 변위 간섭무늬에서 패키지의 중심선을 따라 얻어낸 굽힘 변위 분포를 보여주고 있다. 먼저 WB-PBGA-FG 패키지의 굽힘 변위(Fig. 7)에 대해 살펴보면, 패키지의 평균 열팽창계수가 PCB의 열팽창계수보다 작으므로 아래로 볼록한 굽힘 변형 이 발생하고, 이 변형은 온도가 10CTC가 될 때까지는 증가하여 진행하지만 온도가 더 상승하여 125℃ 가 되면 상당히 다른 형태의 변위분포를 보이고 있는 것을 알 수 있다. 이러한 거동은 온도가 125。(2가 되면 솔더볼에 항복이 일어나면서 PCB와의 구속이 약해지고 패키지 자체의 국부적인 굽힘 변형이 발생하기 때문이다.
이러한 거동은 온도가 125。(2가 되면 솔더볼에 항복이 일어나면서 PCB와의 구속이 약해지고 패키지 자체의 국부적인 굽힘 변형이 발생하기 때문이다. 즉, 패키지 내부에서 몰딩 부분의 열팽창 계수는 칩 부분의 열팽창계수보다 상당히 크므로 반대로 굽어지는(c) 현상을 보이고, 칩이 없는 부분에서는 원래의 굽힘 변형(u)이 일어나서 결국 S자로 구부러진(~) 형태의 변형이 일어났다. 온도가 내려갈 때는 간섭무늬에서 나타난 바와 같이솔더볼에 이와같은현상이 일어나지 않아서 계속하여 반대 방향으로 굽힘변형 이 진행되었다.
9에서 보여준 WB-PBGA-P 패키지의 변위분포를 보면, 가운데 부분에는 패키지와 PCB를 연결하는 솔더볼이 없으므로 높지 않은 온도에서 도 패키지가 PCB와 관계없이 위로 굽은(c) 거동을 보였고 솔더볼이 연결되는 가장자리 부분에서는 아래로 굽은(。) 거동을 보여서 그림과 같이 S자 형태로 변형이 일어남을 볼 수 있으며, 변곡점 부분에서 곡률이 급격하게 변하는 현상을 볼 수 있다. 온도가 올라갔을 때에도 같은 변형이 증폭되어서 패키지의 동일한 위치에서는 온도에 따라 거의 선형적으로 증가하는 현상을 보였다.
11은 각 패키지의 끝단에서 온도변화에 따른 최대 굽힘 변위를 보여주고 있다. 최대 굽힘 변위는 온도가 높아지면 앞에서 기술한 비선형 거동을 보이며 온도가 내려갈 때에는 3가지 패키지 모두 선형적인 거동을 보였다. WB- PBGA-P/C의 경우가 끝단의 굽힘 변위가 가장 크게 나타났으며, WB-PBGA-P의 경우에는 패키지가 S자 형태로 변형함으로 인해 끝단의 변위는 작게 나타났다.
336%가 발생하였다. 평균 수직변형률은 평균 전단변형률에 비해 상당히 큰 값으로 나타났으나, 그중 많은 부분은 그림에서 점선으로 표시한 것과 같은 솔더볼의 자유 열팽창에 의한 변형률로, 그 양은 열팽창계수와 온도차이로 계산해볼 때 약 0.22%이다.
가운데 부분의 가장 바깥 솔더볼과 가장자리 부분의 가장 안쪽 솔더볼에서 절대값이 큰 전단 변형률이 발생하였다. 상하 방향의 수직변형률은 가운데 부분의 솔더볼에서 상당히 큰 값들을 가지며, 가운데 부분의 가장 바깥 솔더볼에서 0.476% 의 가장 큰 변형률 값을 가졌다. 가장자리 부분의 솔더볼들에서는 자유 팽창에 의한 변형률의 값과 큰 차이를 보이지 않았다.
이는 중앙에서 멀어질 수록변형률이 커지는 CBGA(ceramic ball grrid array) 패키지와는 반대의 결과를 보여준다. 패키지와 PCB의 곡률 차이로 인하여 수직 변형률 값은 가장자리 부분의 가장 안쪽 솔더볼에서 0.399%로 상당히 크게 발생되었다.
284%의 가장 큰 유효변형률이 발생되었다. 결론적으로 세 가지 종류의 솔더볼 배 열형 태를 가진 BGA 패키지 중에서 가운데 부분과 가장자리 부분에 솔더볼이 비연속적으로 있는 VB-PBGA-P/C의 경우가 같은 온도 조건에서 굽힘 변형도 가장 크고, 솔더볼의 파손에 영향을 미치는 유효 변형률도 가장 큰 것으로 나타났다.
(1) WB-PBGA 결합체는 패키지와 PCB의 열팽창계수 차이로 인하여 전체적으로 패키지 쪽으로 굽은 변형을 칩보였으며, 칩 가장자리 부근에서 지지기판은 굽힘방향이 급격하게 변하는 변곡점이 발생되었다.
(2) 솔더볼의 배열에 따라 온도에 따른 변형 거동이 상당히 다르게 나타났으며, 각 패키지의 끝단에서의 최대 굽힘 변위는 온도가 높아지면 비선형 거동을 보이고 온도가 내려갈 때에는 세 가지 패키지 모두 선형적인 거동을 보였다. VB-PBGA-P/C의 경우가 굽힘 변위가힘변위가 가장 크게 나타났으며, VB-PBGA-P의 경우에는 패키지가 S자 형태로 변형함으로 인해 끝단의 변위는 작게 나타났다.
(3) 파손에 직접적인 영향을 주는 솔더볼의 유효 변형률은 师-PBGA-FG의 경우 칩 가장자리 바로 바깥쪽 솔더볼에서, 雄-PBGA-P/C의 경우 가운데 연결 솔더볼의 가장 바깥 솔더 볼에서, WB-PBGA-P의 경우는 칩과 가장 가까운 안쪽 솔더볼에서 최대값을 가지는 것으로 나타났다. (4) 세 가지 종류의 솔더볼 배 열 형태를 가진 WB-PBGA 패키지 중에서 WB-PBGA-P/C의 경우가 같은 온도 조건에서 굽힘변형도 가장 크고, 솔더볼의 파손에 영향을 미치는 유효변형률도 가장 큰 것으로 나타났다.
나타났다. (4) 세 가지 종류의 솔더볼 배 열 형태를 가진 WB-PBGA 패키지 중에서 WB-PBGA-P/C의 경우가 같은 온도 조건에서 굽힘변형도 가장 크고, 솔더볼의 파손에 영향을 미치는 유효변형률도 가장 큰 것으로 나타났다.

후속연구

WB-PBGA 패키지를 PCB와 솔더볼로 연결할 때는 여러 배열 형태를 가질 수 있으며, 이러한 배열 형태에 따라 패키지 전체의 변형 거동과 솔더볼의 국부 응력이 달라질 수 있다. 또한 여러 솔더볼 중에서 파손 가능성이 높은 솔더볼을 미리 예측할 수 있다면, ATC 시험과 같은 신뢰성 시험에서는 위험한 솔더볼을 집중하여 검사할 수 있으므로 훨씬 효율적으로 시험을 수행할 수 있으며, 유한요소 해석에서도 파손 가능성이 높은 솔더볼을 국부 해석함으로써 해석의 신뢰성을 높일 수 있다. 본 논문에서는 실시간 모아레 간섭계를 이용하여 각 온도단계 에서 변위분포를 나타내는 간섭무늬 를 각각 얻고, 그로부터 굽힘 변형 거동 및 솔더볼의 변형률에 대한 해석을 비교하여 수행하였다.
파손이 일어날 가능성이 많아진다. 가장 먼저 파손이 일어날 가능성이 높은 솔더볼을 알 수 있다면 ATC 시험에서 그 솔더볼을 우선 선택하여 파손을 감시 하는데 효과적으로 사용할 수 있으며, 반도체 패키지의 재료선택이나 구조설계 시에도 이 부분의 변형률을 낮추는 설계자료로 사용할 수 있다.

참고문헌 (13)

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