[논문]플립칩 패키지 BGA의 전단강도 시험법 표준화

안지혁; 김광석; 이영철; 김용일; 정승부

플립칩 패키지 BGA의 전단강도 시험법 표준화
Regulation in Shear Test Method for BGA of Flip-chip Packages 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.17 no.3, 2010년, pp.1 - 9

안지혁 (성균관대학교 신소재공학과) , 김광석 (성균관대학교 신소재공학과) , 이영철 (성균관대학교 신소재공학과) , 김용일 (성균관대학교 마이크로 전자 및 반도체 패키징 기술개발 사업단) , 정승부 (성균관대학교 마이크로 전자 및 반도체 패키징 기술개발 사업단)

초록
AI-Helper

본고에서는 마이크로 접합을 위한 솔더볼 또는 범프의 기계적 신뢰성 평가에 사용되는 전단시험의 표준화 규격에 대해 고찰해 보았다. 전단시험에서 중요한 실험 조건 중 하나인 전단속도는 low speed shear test와 high speed shear test로 구분 된다. 전단속도가 빨라질수록 솔더볼에 가해지는 충격이 커지기 때문에, 소성변형에 대한 저항성이 커지게 되고, 전단강도가 커지게 된다. 그리고 이 결과는 전산모사를 통하여 확인할 수 있다. 또 하나의 중요한 실험 조건으로 전단툴의 높이가 있다. 일반적으로 전단툴의 높이가 높을수록 전단강도 값은 낮아지게 되는데, 여러 국제 규격에서 제시한 솔더볼 높이의 25% 지점을 초과한 높이에서 전단시험을 진행했을 때에는 전단시험이 진행되는 접합 계면의 면적이 줄어들어 실험결과의 신뢰도가 떨어지게 된다. 이와 같이 전단속도와 툴의 높이 등의 실험조건들이 구체적으로 규격화 되어있지 않은 채 진행 되면, 실험 결과의 신뢰도가 떨어지고, 각 계에서 진행된 연구결과를 상호 비교하기가 어렵다. 따라서 효율성을 고려한 간접 시험법 개발 및 최신 패키징기술을 반영된 특성평가 시험법의 규격, 그리고 다양한 시험 표준화는 결국 마이크로 전자패키지의 고 신뢰성으로 나타날 것이라 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

We reported the methodology for the shear test which is one of the evaluation procedure for mechanical reliability of flip-chip package. The shear speed and the tip height are found to be two significant experimental parameters in the shear test. We investigated how these two parameters have an influence on the results, the shear strength and failure mode. In order to prove these experimental inconsistency, simulation using finite element analysis was also conducted to calculate the shear strength and to figure out the distribution of plastic energy inside of the solder ball. The shear strength decreased while the tip height increased or the shear speed decreased. A variation in shear strength due to inconsistent shear conditions made confusion on analyzing experimental results. As a result, it was strongly needed to standardize the shear test method.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본고에서는 이러한 전단시험의 평가 기준에 따라서 발생할 수 있는 문제를 직접실험과 유한요소해석(finite element analysis)을 이용한 전산모사의 간접적인 결과를 통해 비교·검토하고 새로운 전단시험의 표준화 규격의 필요성에 대해서 보고하고자 한다.
3에서 보여주는 타 연구자의 통계표에서 알 수 있듯이, 전단높이 또한 일관성 없이 진행되고 있다. 따라서 전단높이의 변화가 전단강도에 어떠한 영향을 미치는지 그 차이를 비교 검토하였다.
본고에서는 마이크로 접합을 위한 솔더볼 또는 범프의 기계적 신뢰성 평가에 사용되는 전단시험의 표준화 규격에 대해 고찰해 보았다. 전단시험에서 중요한 실험 조건 중 하나인 전단속도는 low speed shear test와 high speed shear test로 구분 된다.

제안 방법

Fig. 2와 3에 몇 종류의 전문 국제학술지(ScienceDirect, IEEE, SpringerLink 등)에서 2006년부터 현재까지 발표된 연구논문을 조사하여, 전단강도의 시험평가 기준의 통계분포도를 전단속도와 전단높이로 구분하여 나타내었다. 위 결과로 2006년에 ball shear test 규격이 정해졌음에도 불구하고, 전단시험의 일관성 없는 연구가 최근까지 계속 진행되어 왔다는 것을 알 수 있다.

대상 데이터

Table 1은 (사) 한국 마이크로전자 및 패키징학회에서 2009년에 제시한 전자패키지기술의 Road map자료이다. 여기서 알 수 있듯이 플립칩 패키지 전극의 pitch는 감소하므로 interconnection 으로 사용되는 ball size도 종래의 750 µm-200 µm까지의 크기로 부터 약 20 µm정도 까지 감소할 것을 예측할 수 있다.

성능/효과

전단속도가 낮을 때는 솔더볼의 소성변형에 대한 저항성 때문에 전단강도가 증가하지만, 전단속도가 빨라지면 충격량이 더 커지기 때문에 솔더 내부에서 발생하는 연성파괴 보다 솔더 접합부에서 일어나는 취성파괴가 더 많이 발생하게 됨에 따라 전단강도가 증가하게 된다.5) 결과적으로 High speed shear test에서도 low speed shear test와 마찬가지로 전단속도에 따라 전단강도가 크게 변할 수 있으므로, 전단속도를 명확히 규격화 하여 전단시험 결과의 신뢰도를 높여야한다.
500 µm 크기의 비교적 큰 솔더볼과 50 µm 크기의 비교적 작은 솔더볼이 전단속도에 따라 30% 이상의 전단강도 차이를 보일 수 있다는 결과는, 솔더볼의 크기와 상관 없이 전단속도가 시험 결과에 큰 영향을 미친다는 것을 알려준다.
Fig. 4에서는 low speed shear test 방법을 이용하여, 실제 실험값과 유한요소해석을 이용한 전산모사 결과 값을 비교하였고, 전산모사 결과 값 역시 전단속도가 증가할수록 전단강도 값이 증가함을 확인 할 수 있다.
5Ag 조성의 500 µm 솔더볼과 ENIG 처리된 Cu 패드를 리플로우 공정을 1회 진행하여 접합한 후, 10~700 µm/s의 전단속도로 전단시험을 한 결과와 유한요소 해석을 이용한 전산모사 결과를 나타냈다. 그래프에서 알 수 있듯이 전단속도가 빨라질수록 전단강도 값은 실험값과 전산모사 값 모두 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 전단속도가 70배 증가할 때 전단강도는 35% 가까이 증가한다.
5Ag 조성의 솔더볼을 형성한 후, 각각 10, 100, 1000 µm/s의 전단속도로 전단시험을 한 결과이다. 이 결과로 전단속도가 빨라질수록 전단강도 값이 최대 33% 가까이 증가함을 알 수 있다.
1, 1 m/s의 속도로 전단시험을 진행한 결과이다. 이 결과에서 전단속도가 100배 상승할 때, 30% 가까이 전단속도가 증가하는 것을 알 수 있다. 전단속도가 낮을 때는 솔더볼의 소성변형에 대한 저항성 때문에 전단강도가 증가하지만, 전단속도가 빨라지면 충격량이 더 커지기 때문에 솔더 내부에서 발생하는 연성파괴 보다 솔더 접합부에서 일어나는 취성파괴가 더 많이 발생하게 됨에 따라 전단강도가 증가하게 된다.
9는 In-48Sn 조성의 500 µm 솔더볼과 ENIG 처리된 Cu 패드를 리플로우 공정을 1회 진행하여 접합한 후 200 µm/s의 전단속도에서 전단높이를 변화하여 실험한 결과이다. 전단높이가 12배 높아졌을 때, 전단강도 값이 23% 가까이 감소하는 것을 실제 실험과 전산모사의 결과를 통해 알 수 있다. 이러한 경향은 다음과 같은 식으로 해석할 수 있다.
실제 전단시험 후의 시편을 살펴보면 소성변형 에너지 밀도가 높은 곳과 파단이 일어난 부위가 일치함을 알 수 있다. 전산모사는 실제 실험과 거의 동일한 파괴 거동을 보여주며, 이를 통해 유한요소법을 이용한 전산모사 결과는 실제 실험을 충분히 보충할 수 있음을 알 수 있었다.^8,10,12)

후속연구

9) 따라서 적절한 전단높이를 규정하고 이를 바탕으로 실험을 한다면 신뢰할 수 있는 실험결과를 얻을 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2006년에 개정된 전단시험법에서 전단속도는 어떻게 구분하여 규정하고 있는가?	그 이후 Table 2에서 알 수 있듯이 2006년에 평가법의 일부가 개정되어 전단속도와 전단높이에 대한 새로운 항목의 규정이 추가되었다. 2006년 이전에는 전단속도에 대한 규정 항목이 없었으나, 현재는 Table 2와 같이 ‘low speed shear test’와 ‘high speed shear test’로 구분하여 그 속도의 범위를 규정하고 있다. 그리고 전단높이의 경우에는 Table 2에서 알 수 있듯이 솔더볼 높이의 25 % 이하, 50 µm높이 이상에서 전단시험을 하도록 규정되어 있었으나, 이와 같이 실험 할 경우 크기 200 µm이하의 솔더볼의 전단시험은 어려웠다.
	전자부품에서 강조되는 기계적인 특성평가는 무엇인가?	특히 기계적인 특성 평가방법의 경우, 전자패키지의 구조상 IC칩과 기판간의 열팽창계수 차이로 인하여 계면에서 발생하는 전단응력이 발생한다. 따라서 일반적인 재료의 대표적인 기계적인 특성평가 방법인 인장강도(tensile strength)특성과는 다르게 전자부품에서는 전단강도(shear strength)가 강조되고 있고, 전자부품에서는 ‘ball shear test’법으로 정의되고 있다.8,12)
	전단시험법에서 전단높이에 대한 규정이 2006년 이후 어떻게 개정되었는가?	그리고 전단높이의 경우에는 Table 2에서 알 수 있듯이 솔더볼 높이의 25 % 이하, 50 µm높이 이상에서 전단시험을 하도록 규정되어 있었으나, 이와 같이 실험 할 경우 크기 200 µm이하의 솔더볼의 전단시험은 어려웠다. 따라서 2006년 이후에 전체 솔더볼 크기의 25%미만, 10% 권장으로 측정 방법의 항목이 개정 되었다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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