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[국내논문] PGA (Pin Grid Array) 패키지의 Lead Pin의 기계적 특성에 따른 Pin Pull 거동 특성 해석
Pin Pull Characteristics of Pin Lead with Variation of Mechanical Properties of Pin Lead in PGA (Pin Grid Array) Package 원문보기

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

조승현 (동양미래대학 기계공학부) ,  최진원 (삼성전기 기판사업부) ,  박균명 (한국생산기술연구원 금형기술센터)

초록
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본 논문은 $20^{\circ}$ 각도의 굽힘과 50 ${\mu}m$ 인장조건에서 PGA (Pin Grid Array) 패키지의 lead pin에 발생하는 von Mises 응력과 전 변형률 에너지 밀도를 lead pin 소재의 열처리 온도 조건에 따라 유한요소법을 이용하여 해석하였다. 해석결과에 따르면 lead pin의 코너부와 리드핀의 헤드부와 솔더의 경계면이 국부적으로 응력이 집중되는 가장 취약한 위치이며 lead pin의 열처리 온도가 높을수록 발생하는 최대 응력과 변형률 에너지 밀도가 낮아져서 신뢰성이 우수한 것으로 판단된다. 또한 lead pin의 코너부에 라운드가공을 하면 헤드부와 솔더의 경계면에서 발생하는 von Mises 응력과 전변형률 에너지 밀도가 감소하였다. 이와 같은 해석결과는 전 변형률 에너지 밀도가 증가할수록 솔더의 피로수명이 감소하는 연구결과에 미루어볼 때 열처리를 통해 리드핀의 기계적특성을 변경하면 PGA 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 의미한다. 따라서, 리드핀의 형상최적화와 열처리를 통한 최적화된 소재특성을 통해 PGA 패키지의 신뢰성 향상이 요구된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, von Mises stress and total strain energy density characteristics of lead pin in PGA (Pin Grid Array) packages have been calculated by using the FEM (Finite Element Method). FEM computation is carried out with various heat treatment conditions of lead pin material under $20^{\circ...

Keyword

#Pin pull strength   #PGA (Pin Grid Array)   #Reliability   #total strain energy density   #FEM  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 1-3) 따라서 본 논문에서는 유한요소법을 적용하여 lead pin의 기계적 특성이 PGA 패키지 기판의 lead pin 신뢰성에 미치는 영향을 분석하였다
  • Lead pin과 납땜의 신뢰성 해석을 위한 평가조건은 CPU 디바이스를 생산하는 업체의 평가규격을 준용하여 그림에 표시한 바와 같이 lead pin을 20o 각도로 굽힘 변형시킨 후 50 µm 인장을 수행하였다.
  • 5에서 표시한 pin의 항복강도는 열처리 온도가 0oC, 350oC, 550oC, 800oC일 때 각각 230 Mpa, 230 Mpa, 200 Mpa, 100 Mpa이다. 본 연구에서는 lead pin 소재의 열처리조건에 따라 static해석을 수행하였으며 해석에 사용된 소재의 기계적 특성을 Table 1에 나타내었다. 본연구에서는유한요소해석을위해범용해석프로그램인 MSC/MENTAT와 MSC/MARC를 사용하여 2차원해석을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 lead pin 소재의 열처리조건에 따라 static해석을 수행하였으며 해석에 사용된 소재의 기계적 특성을 Table 1에 나타내었다. 본연구에서는유한요소해석을위해범용해석프로그램인 MSC/MENTAT와 MSC/MARC를 사용하여 2차원해석을 수행하였다.4)
  • 본 연구에서는 PGA 패키지용 lead pin의 기계적 특성을 다양한 열처리 조건에 따른 lead pin의 20o 각도 굽힘 변형과 50 µm 인장조건에서 lead pin에 발생하는 von Mises 응력과 전 변형률 에너지 밀도를 유한요소법을 이용하여 해석하였다.

대상 데이터

  • 본 연구에서 적용한 패키지 기판의 구조는 Fig. 4와 같이 6층의 회로층을 갖는 인쇄회로기판으로써 solder resist, 회로층, 절연층, 코어층의 두께는 각각 20 µm, 20 µm, 30 µm, 400 µm 이며 해석의 효율성을 위해 코어를 중심으로 lead pin이 실장되는 위치만 해석에 고려하였다.

이론/모형

  • Lead pin과 납땜의 신뢰성 해석을 위한 평가조건은 CPU 디바이스를 생산하는 업체의 평가규격을 준용하여 그림에 표시한 바와 같이 lead pin을 20o 각도로 굽힘 변형시킨 후 50 µm 인장을 수행하였다. Lead pin의 변형과 인장을 위한 그립(Grip)은 솔리드로 모델링하고 lead pin과 접촉을 하되 떨어지지 않는 접촉모델을 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
lead pin과 솔더의 경계면에서 응력을 완화하는 설계가 PGA 패키징의 신뢰성 향상에 매우 중요한 이유는? PGA 패키징의 신뢰성이 가장 취약한 위치가 lead pin과 솔더의 경계면으로 신뢰성 테스트에 의해 경계면에서 크랙이나 박리와 같은 불량이 발생한다. 따라서, lead pin과 솔더의 경계면에서 응력을 완화하는 설계가 PGA 패키징의 신뢰성 향상에 매우 중요하다.
PGA 패키지 기판의 장점은? 반도체 패키지의 고배선 고밀도화됨에 따라 집적회로(IC)가 실장된 패키지 기판을 주기판 (Main Board)에 연결하는 기판으로 다수의 lead pin이 장착된 PGA(Pin Grid Array) 방식의 반도체 패키지 기판이 널리 사용되고 있다. 일반적인 PGA 패키지 기판은 패키지 기판의 회로 구성에 제약이 작다는 장점으로 납땜에 의해 lead pin이 패키지 기판에 부착되는 T자 형태의 lead pin이 폭넓게 사용되고 있다. Fig.
패키지 기판을 대상으로 하는 신뢰성 평가는 다양한 조건으로 신뢰성을 연구하는데 유한요소법 (FEM: Finite element method)을 이용한 연구 및 제품개발이 효율성 향상을 위해 인쇄회로기판과 패키징 분야에 활발하게 적용되고 있는 이유는? 패키지 기판을 대상으로 하는 신뢰성 평가는 시료의 제작에 많은 시간과 비용이 소요되기 때문에 상당한 제약을 받기 때문에 다양한 조건으로 신뢰성을 연구하는데 유한요소법 (FEM: Finite element method)을 이용한 연구 및 제품개발이 효율성 향상을 위해 인쇄회로기판과 패키징 분야에 활발하게 적용되고 있다.1-3) 따라서 본 논문에서는 유한요소법을 적용하여 lead pin의 기계적 특성이 PGA 패키지 기판의 lead pin 신뢰성에 미치는 영향을 분석하였다
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참고문헌 (7)

  1. Mertol, A. "Application of the Taguchi method to chip scale package (CSP) design", IEEE Trans. Adv. Packag. 23, 266(2000). 

    상세보기 crossref

  2. B. Vandevelde, E. Beyne, G. Q. Zhang, Jo F. J. M. Caers, D. Vandepitte and M. Baelmans, "Solder parameter sensitivity for CSP life-time prediction using simulation-based optimization method", IEEE trans. on Electronics Packag. Manufact. 25, 318 (2002). 

    상세보기 crossref

  3. S.H. Cho and J.W. Choi, "Study on the Behavior Characteristics of Solder Balls for FCBGA Package", Met. Mater.-Int. 13, 4 (2007). 

  4. MSC.Marc User's Manual. MSC.software corporation, (2005) 

  5. 고승기, 하정수, "평균응력을 동반하는 2.2Ni-1Cr-0.5Mo강의 피로수명과 변형률에너지밀도와의 상관관계", 대한기계학회논문집 A권, 제27권 제1호, (2003) pp. 167-174. 

    원문보기 상세보기

  6. T. S. Park, and S-B. Lee, "Isothermal low cycle fatigue tests of Sn/3.5Ag/0.75Cu and 63Sn/37Pb solder joints under mixed-mode loading cases", on CD-ROM, Proceedings, 52nd Electronic Components & Technology Conference, SanDiego, CA, May 28-31, (2002). 

  7. Darveaux, R., Banerji, K., Mawer, A. and Dody, G., "Reliability of plastic ball grid array assemblies", Chap. 13, Ball Grid Array Technology, ed. J. H. Lau, McGraw-Hill, (1995) pp. 379-442. 

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