소형화, 박형화 및 집적화의 경향에 따라 FCBGA가 휴대폰과 같은 전자제품에 활발히 사용되고 있다. 그러나, 플립칩은 전기적 저항에 의한 열이 필연적으로 발생하며, 발생된 열은 패키지의 소형화에 따라 열의 분산 면적 감소로 인하여 발열의 증가가 나타나게 된다. 발열은 온도와 응력에 민감하게 반응하는 소자의 수명을 저해하고, 시스템에 있어 고장의 발생을 가져올 수 있다. 따라서 본 논문에서는 플립칩의 발열문제를 해결하기 위하여 Comsol 3.5a의 heat transfer module을 이용하여 FCBGA의 발열 특성을 정량적으로 분석하였다. 그리고 열 문제를 해결하기 위하여 시뮬레이션을 통한 새로운 마이크로 구조가 부착된 플립칩을 제안하였다. 또한 마이크로 패턴 구조의 형상, 높이, 간격에 대한 열 소산을 분석함으로써, 기존 플립칩에 비하여 열소산 특성이 18% 향상됨을 확인하였다.
소형화, 박형화 및 집적화의 경향에 따라 FCBGA가 휴대폰과 같은 전자제품에 활발히 사용되고 있다. 그러나, 플립칩은 전기적 저항에 의한 열이 필연적으로 발생하며, 발생된 열은 패키지의 소형화에 따라 열의 분산 면적 감소로 인하여 발열의 증가가 나타나게 된다. 발열은 온도와 응력에 민감하게 반응하는 소자의 수명을 저해하고, 시스템에 있어 고장의 발생을 가져올 수 있다. 따라서 본 논문에서는 플립칩의 발열문제를 해결하기 위하여 Comsol 3.5a의 heat transfer module을 이용하여 FCBGA의 발열 특성을 정량적으로 분석하였다. 그리고 열 문제를 해결하기 위하여 시뮬레이션을 통한 새로운 마이크로 구조가 부착된 플립칩을 제안하였다. 또한 마이크로 패턴 구조의 형상, 높이, 간격에 대한 열 소산을 분석함으로써, 기존 플립칩에 비하여 열소산 특성이 18% 향상됨을 확인하였다.
According to the trends of electronic package to be smaller, thinner and more integrative, Flip Chip Ball Grid Array (FCBGA) become more used for mobile phone. However, the flip chip necessarily generate the heat by the electrical resistance and generated heat is increased due to reduced distributio...
According to the trends of electronic package to be smaller, thinner and more integrative, Flip Chip Ball Grid Array (FCBGA) become more used for mobile phone. However, the flip chip necessarily generate the heat by the electrical resistance and generated heat is increased due to reduced distribution area of the heat in accordance with the miniaturization trend of the package. Thermal issues can result in problems of devices that are sensitive to temperature and stress. Then the heat can generate problems to the system. In this paper, in order to improve the thermal issues of FCBGA, thermal characteristics of FCBGA was analyzed qualitatively by using the general heat transfer module of Comsol 3.5a and In order to solve thermal issues, flip chip with new micro structure is proposed by the simulation. and also by comparing existing model and analyzing variables such as pitch, height of the pattern and shape of the heat spreader, the improvement of heat dissipation characteristics about 18% was confirmed.
According to the trends of electronic package to be smaller, thinner and more integrative, Flip Chip Ball Grid Array (FCBGA) become more used for mobile phone. However, the flip chip necessarily generate the heat by the electrical resistance and generated heat is increased due to reduced distribution area of the heat in accordance with the miniaturization trend of the package. Thermal issues can result in problems of devices that are sensitive to temperature and stress. Then the heat can generate problems to the system. In this paper, in order to improve the thermal issues of FCBGA, thermal characteristics of FCBGA was analyzed qualitatively by using the general heat transfer module of Comsol 3.5a and In order to solve thermal issues, flip chip with new micro structure is proposed by the simulation. and also by comparing existing model and analyzing variables such as pitch, height of the pattern and shape of the heat spreader, the improvement of heat dissipation characteristics about 18% was confirmed.
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문제 정의
따라서 본 논문의 다음절에서는 기존 열분산기 구조를 가지는 플립칩의 발열 및 방열특성을 더욱 향상시키기 위하여 마이크로 패턴구조를 열 분산기에 형상화하였고, 최적 조건을 찾고자 열해석 모델링을 시행하였다.
본 논문에서는 Fig. 5에 제시한 것처럼, FCBGA의 발열 문제를 해결할 수 있는 모델을 제시하고자 한다. (a)의 경우, 기존의 열 분산기(heat spreader)를 사용한 모델이고, (b)의 경우, 기존의 열 분산자와 재료는 동일하지만, 표면에 마이크로 패턴구조를 형성시킨 모델이다.
본 논문에서는 모듈의 고집적화 및 소형화 에 따라 발생하는 발열에 따른 성능 저하를 방지하기 위하여 기존의 플립칩에서의 발열 특성을 분석하였고, 발열 문제를 해결하기 위하여 플립칩의 상부에 마이크로 패턴을 부착하는 새로운 방열 구조의 모델을 제시하였으며, 패턴의 간격과 종횡비에 따른 발열특성의 분석을 통하여 고효율의 열소산 구조를 설계하였다.
본 논문에서는 앞의 절에서 제시했듯이, 마이크로 패턴을 가진 플립칩의 최적의 열소산 구조를 찾기 위하여 열분산기의 다이 사이즈(die size), 패턴의 높이 및 패턴의 간격을 열 소산에 있어서의 해석변수로 두고 열해석을 진행하였다.
본 논문에서는 칩, 언더필, 패키지 기판(package substrate), 솔더볼 및 메인보드로 구성된 플립칩 패키지의 최적 열설계를 위하여 플립칩 내의 열전달 경로를 파악하였다. 또한 플립칩의 열소산을 위해 플립칩의 구조 및 재질, 형상에 따른 열전달 특성을 Comsol 3.
본 논문에서는 칩에서 발생하는 열량을 계산하여, 이에 따른 플립칩 내에서의 온도 변화를 살펴보고, 열원을 제거했을 때의 온도변화를 통하여 최적의 열 소산 모델을 제시하고자 한다.
따라서, 플립칩 내에 발생된 열의 원활한 소산을 위해서는 플립칩에 있어서 전도에 의한 열전달 경로특성의 평가를 통해 열원(heat source)로부터 메인보드까지의 전체 열저항을 감소시켜야 한다. 이를 위해서 본 연구에서는 열소산을 위한 새로운 모델을 제시하고, 새로운 모델에 있어서의 전열면적, 전도율 및 두께 등의 열저항을 결정하는 변수들에 대한 열해석을 수행하여 이들에 따른 영향을 조사하였으며 이들의 조합을 통해 플립칩의 열저항을 감소시키기 위하여 마이크로 패턴 구조를 가지는 플립칩 모델을 제시하고자 한다. 최적 설계를 위한 시뮬레이션은 유한 요소 해석 s/w인 Comsol 3.
제안 방법
100 μm의 높이를 가지는 마이크로 패턴의 간격에 따른 플립칩의 온도분포를 알아보기 위해 앞 절의 다이 사이즈에 대한 열해석에 있어서 발열효과가 가장 우수했던 10×10 mm에 대하여 Table 5와 같이 해석변수로 두고 열해석을 수행하였다.
6에서 볼 수 있듯이, 200초의 시간 동안 7×107W/m2의 열원을 처음 20초간 작동시킨 이후 열원을 제거함에 따라 각각의 제안된 모델의 발열 및 방열 특성을 분석하였다. Comsol 3.5a의 heat transfer module을 이용한 20℃의 온도분위기에서 기존의 플립칩 구조에 있어서의 열해석을 통하여, 기존 모델의 열전달경로 특성을 파악하고, 열 분산기의 구조에 따른 열해석 모델링을 구현하였으며, 각 모델에 대한 해석결과를 Fig. 7과 Fig. 8에 나타내었다.
Fig. 6에서 볼 수 있듯이, 200초의 시간 동안 7×107W/m2의 열원을 처음 20초간 작동시킨 이후 열원을 제거함에 따라 각각의 제안된 모델의 발열 및 방열 특성을 분석하였다.
그리고 기존의 모델과의 비교를 통해 열 설계변수에 따른 열전달 경로 특성을 파악하였고, 열소산 경로 특성을 바탕으로 새로운 열 설계 구조를 모델링하였으며, 기준 모델의 열적 물성 및 치수를 Table 1에 나타내었다.
그리고 종횡비의 증가에 따른 최적의 열소산율이 보이는 1:4와 1:6의 마이크로 패턴에 있어서의 재료적 영향을 알아보기 위해 은과 알루미늄으로 재료를 대체하여 열해석을 수행하였다.
따라서 본 논문에서는 종횡비의 증가에 따른 열소산율이 가장 우수한 패턴의 종횡비를 찾기 위하여 Table 7과 같이 패턴의 종횡비에 대한 추가적인 열해석을 수행하였고, 그 결과를 Fig. 10에 간단히 나타내었다. 종횡비의 경우, 100 μm의 패턴간격을 기준으로 높이를 400 μm에서 200 μm씩 높여가면서 종횡비에 따른 발열 및 방열특성을 살펴보았다.
본 논문에서는 칩, 언더필, 패키지 기판(package substrate), 솔더볼 및 메인보드로 구성된 플립칩 패키지의 최적 열설계를 위하여 플립칩 내의 열전달 경로를 파악하였다. 또한 플립칩의 열소산을 위해 플립칩의 구조 및 재질, 형상에 따른 열전달 특성을 Comsol 3.5a의 heat transfer module을 이용하여 열해석을 수행한 후, 플립칩 내의 열저항을 최소화할 수 있는 최적의 구조를 제시하였다.
마이크로 패턴구조에 대한 열해석을 진행하기에 앞서서 발열 및 방열 특성에 가장 크게 영향을 미칠 것을 예상되는 전열면적에 대한 발열 특성평가를 위하여 열분산기의 크기를 Table 4와 같이 해석변수로 두고 시간에 대한 온도분포를 알아보기 위해 열해석을 수행하였다.
열분산기의 다이 사이즈와 마이크로 패턴의 간격에 있어서의 열해석 결과를 통하여 발열 및 방열 특성이 가장 우수하다고 생각되는 10×10 mm의 die size에 패턴간격을 100 μm로 일정하게 설정하고 Table 6와 같이 패턴의 종횡비에 따른 열해석을 수행하였다.
종횡비의 경우, 100 μm의 패턴간격을 기준으로 높이를 400 μm에서 200 μm씩 높여가면서 종횡비에 따른 발열 및 방열특성을 살펴보았다.
최적 구조 모델링을 위한 열해석 모델은 Fig. 4와 같이 기준 모델의 모델링 작업과 메쉬(mesh)를 생성시킨 후 열해석을 수행하여 플립칩의 온도분포 및 칩내의 열원 영역의 온도를 파악하였다.8)
이를 위해서 본 연구에서는 열소산을 위한 새로운 모델을 제시하고, 새로운 모델에 있어서의 전열면적, 전도율 및 두께 등의 열저항을 결정하는 변수들에 대한 열해석을 수행하여 이들에 따른 영향을 조사하였으며 이들의 조합을 통해 플립칩의 열저항을 감소시키기 위하여 마이크로 패턴 구조를 가지는 플립칩 모델을 제시하고자 한다. 최적 설계를 위한 시뮬레이션은 유한 요소 해석 s/w인 Comsol 3.5a의 heat transfer module을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 사용된 전력을 열원 접합 부위의 면적으로 나누어 발열밀도를 계산하였다. 그리고 열해석의 간소화를 위해 실제 플립칩의 구조를 Fig.
플립칩의 열저항을 최소화하여 최적의 구조를 설계하기 위하여 기본적인 열전달 메커니즘을 분석하였다. 열전달 메커니즘은 Fig.
이론/모형
3와 같이 모델링하였다. 사용된 지배방정식은 복사에 의한 영향이 배제된 전도와 대류에 의한 heat equation인 식 (2)을 사용하여 수행하였다.6-7)
성능/효과
1) 이러한 플립칩 기술은 기존의 주변정렬 방식을 가지는 와이어 본딩 기술에 비해 패키지 점유면적을 크게 줄일 수 있고 외부 잡음, 전기용량 및 인덕턴스 값이 기존의 패키지에 비하여 월등히 작고, 전기적 지연(Delay)을 줄일 수 있는 장점이 있어 최근 많이 사용되는 패키지 기술이다.
그 결과, 패턴의 종횡비가 1:4, 1:6인 경우를 제외한 나머지의 경우는 종횡비 증가에 따라 칩에 대하여 4℃ 정도의 온도감소 효과를 기대할 수 있었다. 그러나 종횡비가 1:4, 1:6인 경우는 종횡비 증가에 따라 7.
그 결과, 패턴의 종횡비가 1:4, 1:6인 경우를 제외한 나머지의 경우는 종횡비 증가에 따라 칩에 대하여 4℃ 정도의 온도감소 효과를 기대할 수 있었다. 그러나 종횡비가 1:4, 1:6인 경우는 종횡비 증가에 따라 7.5℃ 정도의 온도감소 효과를 나타내어 다른 종횡비와 비교하여 종횡비 증가율에 따른 열소산 특성이 크게 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한 열원을 제거했을 때의 방열 현상을 살펴본 결과, 칩의 온도가 76.6℃까지 점점 낮아지면서 열전도의 영향으로 대부분의 열이 메인보드로 이동하여 메인보드의 온도가 76.1℃까지 높아지게 되어 모델의 모든 재료가 열적 평형을 이루었다. 그러나 열분산기 구조를 가지는 모델인 (b)는 (a)에 비해 발열 및 방열 특성이 상당히 향상된 결과를 보였다.
열 해석을 수행한 결과, Fig. 11과 같이 은과 알루미늄은 구리보다 열소산 효과가 크지 않음을 보였으며 기존의 재료로 사용된 구리에 있어서의 열소산 효과가 가장 우수함을 보였다.
열분산기의 크기에 따른 열해석 결과, 열분산기의 발열 면적을 높일수록 발열 및 방열 특성이 향상됨을 Fig. 9에서 확인할 수 있었다.
열전달 해석 상용 코드를 이용하여 열해석을 수행한 결과, 종횡비가 1:4와 1:6의 마이크로 패턴을 형성한 모델의 경우, 열소산율을 18% 향상시킬 수 있었다.
일반적으로 열전도성이 가장 높은 은의 경우, 우수한 방열 특성을 보이지만, 본 연구에서는 재료에 따른 열용량의 차이로 구리가 더 나은 발열특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 따라서 열 특성에 영향을 미치는 열전도도, 밀도 및 열용량의 상대성에 대한 최적화가 필요한 것으로 판단된다.
특히 마이크로패턴의 종횡비에 따라서 발열 및 방열특성을 크게 향상 시킬 수 있었다.
해석결과, 패턴의 형성과 무관하게 패턴 간격이 가장 넓은 400 μm에서는 기존 모델과 비교하여 발열 향상을 거의 볼 수 없음을 확인하였고, 패턴의 간격을 줄이면서 발열 및 방열 특성이 향상됨을 관찰할 수 있었다.
해석변수로써 설정한 열분산기의 다이 사이즈, 패턴의 간격 및 종횡비에 대한 열해석 결과를 살펴보면, 마이크로 패턴구조를 형성함에 따른 발열 면적의 증가로 솔더볼을 통한 메인보드로의 열소산을 개선할 수 있었으며, 칩에 있어서의 최고치 온도를 낮출 수 있었다.
효율적인 방열을 수행할 수 있는 플립칩 열소산 구조를 채택하여, 칩의 구동시 솔더에 있어서의 열저항 감소에 따른 열응력을 완화로 플립칩의 수명을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 소형화 및 집적화를 지향하는 전자제품에 있어서의 열적 문제를 개선시킬 수 있음을 보였다.
후속연구
일반적으로 열전도성이 가장 높은 은의 경우, 우수한 방열 특성을 보이지만, 본 연구에서는 재료에 따른 열용량의 차이로 구리가 더 나은 발열특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 따라서 열 특성에 영향을 미치는 열전도도, 밀도 및 열용량의 상대성에 대한 최적화가 필요한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플립칩(Flip-Chip) 기술이란?
플립칩(Flip-Chip) 기술이란 전기적 장치나 반도체 소자들을 다양한 재료(솔더 범프, 전도성 고분자 필름, paste 등) 및 방법(증착법, 도금법, screen printing 등)을 이용한 접속을 통하여 칩의 표면이 기판을 향하도록 하여 칩을 기판에 실장하는 기술이다.1) 이러한 플립칩 기술은 기존의 주변정렬 방식을 가지는 와이어 본딩 기술에 비해 패키지 점유면적을 크게 줄일 수 있고 외부 잡음, 전기용량 및 인덕턴스 값이 기존의 패키지에 비하여 월등히 작고, 전기적 지연(Delay)을 줄일 수 있는 장점이 있어 최근 많이 사용되는 패키지 기술이다.
플립칩 기술의 장점은?
플립칩(Flip-Chip) 기술이란 전기적 장치나 반도체 소자들을 다양한 재료(솔더 범프, 전도성 고분자 필름, paste 등) 및 방법(증착법, 도금법, screen printing 등)을 이용한 접속을 통하여 칩의 표면이 기판을 향하도록 하여 칩을 기판에 실장하는 기술이다.1) 이러한 플립칩 기술은 기존의 주변정렬 방식을 가지는 와이어 본딩 기술에 비해 패키지 점유면적을 크게 줄일 수 있고 외부 잡음, 전기용량 및 인덕턴스 값이 기존의 패키지에 비하여 월등히 작고, 전기적 지연(Delay)을 줄일 수 있는 장점이 있어 최근 많이 사용되는 패키지 기술이다.
플립칩의 구조는 어떻게 구분할 수 있는가?
1에 나타내었다. 플립칩은 칩, 솔더범프, 패키지 기판, 솔더볼 및 메인보드로 크게 구분할 수 있다.
참고문헌 (10)
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