최근 전자 제품의 소형화, 박형화 및 집적화에 따라 칩과 기판을 연결하는 범프의 미세화가 요구되고 있다. 그러나 범프의 미세화는 직경 감소와 UBM의 단면적 감소로 인하여 전류 밀도를 증가시켜 전기적 단락을 야기할 수 있다. 특히 범프에서 형성되는 금속간화합물과 KV의 형성은 전기적 및 기계적 특성에 큰 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 논문에서는 유한요소해석을 이용하여 플립칩 범프의 열변형을 분석하였다. 우선 TCT의 온도조건을 통하여 플립칩 패키지의 열변형 특성을 분석한 결과, 범프의 열 변형이 시스템의 구동에 큰 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 그리고 범프의 열변형 특성에 큰 영향을 미칠 것을 생각되는 IMC층의 두께와 범프의 직경을 변수로 선정하여 온도변화, 열응력 및 열변형에 대한 해석을 수행하였으며, 이를 통하여 IMC층이 범프에 영향을 미치는 원인에 대한 분석을 수행하였다.
최근 전자 제품의 소형화, 박형화 및 집적화에 따라 칩과 기판을 연결하는 범프의 미세화가 요구되고 있다. 그러나 범프의 미세화는 직경 감소와 UBM의 단면적 감소로 인하여 전류 밀도를 증가시켜 전기적 단락을 야기할 수 있다. 특히 범프에서 형성되는 금속간화합물과 KV의 형성은 전기적 및 기계적 특성에 큰 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 논문에서는 유한요소해석을 이용하여 플립칩 범프의 열변형을 분석하였다. 우선 TCT의 온도조건을 통하여 플립칩 패키지의 열변형 특성을 분석한 결과, 범프의 열 변형이 시스템의 구동에 큰 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 그리고 범프의 열변형 특성에 큰 영향을 미칠 것을 생각되는 IMC층의 두께와 범프의 직경을 변수로 선정하여 온도변화, 열응력 및 열변형에 대한 해석을 수행하였으며, 이를 통하여 IMC층이 범프에 영향을 미치는 원인에 대한 분석을 수행하였다.
Recently, by the trends of electronic package to be smaller, thinner and more integrative, fine bump is required. but It can result in the electrical short by reduced cross-section of UBM and diameter of bump. Especially, the formation of IMCs and KV can have a significant affects about electrical a...
Recently, by the trends of electronic package to be smaller, thinner and more integrative, fine bump is required. but It can result in the electrical short by reduced cross-section of UBM and diameter of bump. Especially, the formation of IMCs and KV can have a significant affects about electrical and mechanical properties. In this paper, we analyzed the thermal deformation of flip-chip bump by using FEM. Through Thermal Cycling Test (TCT) of flip-chip package, We analyzed the properties of the thermal deformation. and We confirmed that the thermal deformation of the bump can have a significant impact on the driving system. So we selected IMCs thickness and bump diameter as variable which is expected to have implications for characteristics of thermal deformation. and we performed analysis of temperature, thermal stress and thermal deformation. Then we investigated the cause of the IMC's effects.
Recently, by the trends of electronic package to be smaller, thinner and more integrative, fine bump is required. but It can result in the electrical short by reduced cross-section of UBM and diameter of bump. Especially, the formation of IMCs and KV can have a significant affects about electrical and mechanical properties. In this paper, we analyzed the thermal deformation of flip-chip bump by using FEM. Through Thermal Cycling Test (TCT) of flip-chip package, We analyzed the properties of the thermal deformation. and We confirmed that the thermal deformation of the bump can have a significant impact on the driving system. So we selected IMCs thickness and bump diameter as variable which is expected to have implications for characteristics of thermal deformation. and we performed analysis of temperature, thermal stress and thermal deformation. Then we investigated the cause of the IMC's effects.
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문제 정의
본 논문에서는 유한 요소 해석을 이용하여 거시적 관점에서 플립칩 패키지의 발열에 따른 열변형 특성을 해석하고, 미시적 관점으로 솔더 범프의 열변형 특성에 큰 영향을 미칠 것을 생각되는 IMC층의 두께와 범프의 직경을 변수로 선정하여 온도변화, 열응력 및 열변형에 대한 해석을 수행하였다. 그리고 이를 통하여 IMC층이 범프에 영향을 미치는 원인에 대한 분석을 수행하고자 한다.
본 논문에서는 낮은 열전도도를 가지는 Ni3Sn4로 구성된 IMC가 형성된 범프의 미세화에 따른 열변형 특성을 분석을 추가적으로 수행하였다. 가장 열변형이 크게 나타났던 3 µm의 IMC층이 형성된 범프의 직경을 160 µm, 140 µm, 120 µm, 100 µm의 변수로 설정하였으며, 1.
본 논문에서는 범프 내에서의 열확산에 따른 원자이동으로 인하여 생성되는 IMC층이 범프의 열변형 특성에 큰 영향을 미칠 것으로 사료되기 때문에 IMC층의 형성에 따른 열변형 분석을 수행하였다.
본 논문에서는 범프의 미세화로 인하여 전류밀도가 증가되고, 발열에 따른 IMC층의 높은 열응력 및 열변형이 플립칩 패키지의 시스템 구동에 문제를 발생시킬 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 그리고 범프의 미세화에 따른 copper post, 범프의 직경와 높이의 상관관계, 범프의 형상에 따른 열변형, 범프의 사이즈에 따른 open size의 최적화에 대한 분석이 추가적으로 요구된다.
본 논문에서는 플립칩 범프의 열변형을 분석하였다. 우선 TCT의 온도조건을 통하여 IMC의 영향에 대한 플립칩 패키지의 열변형 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 우선 플립칩 패키지 전체에 대한 모델링을 시행하고, 그에 따른 열전달 특성을 분석하였다.
제안 방법
가장 열변형이 크게 나타났던 3 µm의 IMC층이 형성된 범프의 직경을 160 µm, 140 µm, 120 µm, 100 µm의 변수로 설정하였으며, 1.5A의 전류를 인가하였을 때, 범프의 높이에 따른 열변형 특성을 평가하였다.
5 µm, 3 µm의 IMC층을 가지고 있는 4가지 모델을 구현하였다. 그리고 각각의 모델에 대하여 1.5A 의 전류를 3600s의 시간 동안 인가시켰을 때 발생하는 열응력 및 열변형에 대한 열해석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 11과 Fig. 12에 나타내었다.
그리고 범프의 열변형 특성에 큰 영향을 미칠 것으로 생각되는 IMC층의 두께를 변수로 선정하여 보다 세부적인 온도변화, 열응력 및 열변형에 대한 해석을 수행하였다
TCT는 상온(25℃), 고온(125℃) 및 저온(-40℃)의 구간을 형성하였다. 그리고 승온, 냉각 및 유지시간은 300s으로 일정하게 구현하였으며, 총 5700s의 평가시간을 설정하였다. 앞에서 언급한 자료를 토대로 하여 시뮬레이션에 이용된 TCT profile은 Fig.
우선 IMC의 형성에 따른 플립칩 패키지에 있어서의 열변형 특성을 분석하였으며, 부분 모델링을 통한 범프의 열변형특성을 분석하였다. 그리고 플립칩 패키지의 열변형 특성 분성을 위하여 Fig. 4와 같이 기존의 모델의 모델링 작업과 격자를 생성시킨 후 그에 따른 열소산 특성을 분석하였다. 역학적 모델은 Fig.
따라서, 범프에 형성되는 IMC층에 대한 보다 세부적인 분석이 요구되며, IMC층의 두께와 범프의 직경을 변수로 선정하여 그에 따른 열응력 및 열변형 특성 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 Comsol Multiphysics의 Joule heating and thermal stress module을 이용하여 식(1)과 (2)를 통하여 선형탄성모델로 time dependent 해석을 하였다.
본 논문에서는 범프에 형성되는 IMC층의 세부적인 분석을 하기 위하여 IMC층의 두께를 구조적 변수로 선정하여 그에 따른 열해석을 수행하였으며, 해석구조를 Fig. 10 에 제시하였다.
본 논문에서는 유한 요소 해석을 이용하여 거시적 관점에서 플립칩 패키지의 발열에 따른 열변형 특성을 해석하고, 미시적 관점으로 솔더 범프의 열변형 특성에 큰 영향을 미칠 것을 생각되는 IMC층의 두께와 범프의 직경을 변수로 선정하여 온도변화, 열응력 및 열변형에 대한 해석을 수행하였다. 그리고 이를 통하여 IMC층이 범프에 영향을 미치는 원인에 대한 분석을 수행하고자 한다.
앞 절에서 FCBGA의 범프에 대한 IMC층의 영향을 분석하였다. IMC의 존재 유무에 따라 범프와 IMC층의 경계부분에서 큰 열응력이 발생하여 열변형량이 크게 증가함을 파악할 수 있었다.
4와 같이 기존의 모델의 모델링 작업과 격자를 생성시킨 후 그에 따른 열소산 특성을 분석하였다. 역학적 모델은 Fig. 3에 제시한 플립칩 패키지의 모델에 나와 있는 치수의 형태로 모델링을 하였으며, 중앙을 기준으로 symmetry 해석을 수행하였다. stress free state은 플립칩 패키지가 대칭되는 부분을 고정시키고 그외의 부분은 free 상태로 조건을 부여하였다.
열전달 특성분석을 위한 시뮬레이션은 유한 요소 해석을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 열해석의 간소화를 위해 실제 플립칩의 구조를 Fig.
우선 IMC의 형성에 따른 플립칩 패키지에 있어서의 열변형 특성을 분석하였으며, 부분 모델링을 통한 범프의 열변형특성을 분석하였다. 그리고 플립칩 패키지의 열변형 특성 분성을 위하여 Fig.
본 논문에서는 플립칩 범프의 열변형을 분석하였다. 우선 TCT의 온도조건을 통하여 IMC의 영향에 대한 플립칩 패키지의 열변형 특성을 평가하였다.
우선, IMC층의 두께에 따른 범프의 열해석을 위하여 1 µm, 2 µm, 2.5 µm, 3 µm의 IMC층을 가지고 있는 4가지 모델을 구현하였다.
유한요소해석을 위하여 기존의 FCBGA 패키지의 범프에 2 µm의 IMC층을 형성하였으며, IMC의 형성이 범프에 미치는 영향을 앞 절과 비교하여 추가적인 분석을 수행하였다.
이론/모형
본 논문에서는 FCBGA 패키지의 열변형을 분석하기 위하여 시뮬레이션을 통한 TCT(Thermal Cycling Test)의 온도조건을 이용하였다. TCT는 상온(25℃), 고온(125℃) 및 저온(-40℃)의 구간을 형성하였다.
성능/효과
Fig. 12(a)의 그래프에서 전류의 인가에 따라 IMC층 부분에서 발생되는 발열이 IMC층의 두께가 증가할수록 크게 상승함을 확인할 수 있었다. 또한 Fig.
1) 이러한 플립칩 기술은 기존의 주변 정렬 방식을 가지는 와이어 본딩 기술에 비해 패키지 점유면적을 크게 줄일 수 있고 외부 잡음, 전기용량 및 인덕턴스 값을 기존의 패키지에 비하여 월등히 감소시킬 수 있으며, 전기적 지연을 줄일 수 있는 장점이 있어 산업적으로 널리 활용되고 있다.
Fig. 6에서 볼 수 있듯이, 가열 및 냉각의 과정을 거치면서 FCBGA 패키지의 열팽창 및 열수축이 지속적으로 진행됨을 확인할 수 있었으며, 마지막 TCT cycle의 -40℃에서 32.8 µm, 125℃에서 49.1 µm, 25℃에서 4.1 µm의 열변형이 나타남을 확인하였다.
앞 절에서 FCBGA의 범프에 대한 IMC층의 영향을 분석하였다. IMC의 존재 유무에 따라 범프와 IMC층의 경계부분에서 큰 열응력이 발생하여 열변형량이 크게 증가함을 파악할 수 있었다.
그 결과, IMC가 존재하지 않았을 때에는 최대 75.4 MPa 의 열응력이 나타났다. 그리고 열변형의 경우, 최대 11.
그 결과, IMC층의 두께가 증가할수록 범프층의 온도가 84.7℃에서 147.0℃로 상승하였다. 이에 따라 발생된 열응력은 172.
2 MPa로 큰 차이를 보였다. 그리고 TCT cycle에 따라 네 번째 TCT cycle에서 열응력 및 열변형의 정도가 기존의 TCT cycle 에 비해 크게 높아짐을 볼 수 있었다.
4 MPa의 응력이 더 부가됨을 확인할 수 있었다. 그리고 열변형 역시 IMC의 경계부분에서 가장큰 변형이 나타남을 확인하였으며, 직경 감소에 따라 열변형이 17.5% 증가됨을 확인하였다.
그에 따라 열에 의한 변형량이 크게 나타남을 확인할 수 있었으며 최대 11.7 µm의 열변형이 나타났다.
또한 범프의 미세화에 따른 열해석 결과, 높이가 낮아질수록 높은 발열로 인하여 열응력 및 열변형이 118.4 MPa과 17.5%의 증가를 확인하였다.
또한, IMC가 존재하지 않는 플립칩의 경우, 범프의 위치 및 TCT cycle에 따른 열응력변화가 15 MPa로 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 IMC가 형성된 플립칩 범프의 경우, 범프의 위치에 따른 최대 열응력이 26.
4℃의 온도증가를 보였다. 열응력의 경우, IMC층의 경계부분에서 가장 높은 값을 보였으며, 범프의 직경이 작아짐에 따라 118.4 MPa의 응력이 더 부가됨을 확인할 수 있었다. 그리고 열변형 역시 IMC의 경계부분에서 가장큰 변형이 나타남을 확인하였으며, 직경 감소에 따라 열변형이 17.
해석 결과, IMC가 형성된 범프의 경우, IMC가 형성되지 않은 범프에 비해 발생되는 열응력이 최대 144.5 MPa의 열응력이 나타났으며, 이에 따라 14.2 µm의 열변형이 나타났다.
해석 결과, 범프의 직경이 낮아질수록 발열이 증가하여, 열응력 및 열변형이 크게 나타남을 확인할 수 있었다. 범프의 직경이 160 µm에서 100 µm으로 낮아짐에 따라 25.
후속연구
본 논문에서는 범프의 미세화로 인하여 전류밀도가 증가되고, 발열에 따른 IMC층의 높은 열응력 및 열변형이 플립칩 패키지의 시스템 구동에 문제를 발생시킬 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 그리고 범프의 미세화에 따른 copper post, 범프의 직경와 높이의 상관관계, 범프의 형상에 따른 열변형, 범프의 사이즈에 따른 open size의 최적화에 대한 분석이 추가적으로 요구된다. 그리고 실제 Cu/IMC 계면에서의 열저항이 크게 나타남에 따라 이 경계면에서의 발생하는 온도상승에 대한 문제를 분석할 필요가 있다고 판단된다.
그리고 범프의 미세화에 따른 copper post, 범프의 직경와 높이의 상관관계, 범프의 형상에 따른 열변형, 범프의 사이즈에 따른 open size의 최적화에 대한 분석이 추가적으로 요구된다. 그리고 실제 Cu/IMC 계면에서의 열저항이 크게 나타남에 따라 이 경계면에서의 발생하는 온도상승에 대한 문제를 분석할 필요가 있다고 판단된다. 또한 범프에 형성되는 Cu6Sn5, Cu3Sn4, Ag3Sn과 같은 IMC층에 대한 범프의 변형특성을 분석하고, 형성된 IMC층에 대한 영향에 대한 분석이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플립칩은 무엇으로 구성되어 있는가?
플립칩은 칩, 솔더범프, 패키지 기판, 솔더볼 및 메인보 드로 크게 구분할 수 있다.
플립칩 기술은 어떠한 문제점을 가지는가?
플립칩 기술은 낮은 작동온도에서 더 효과적으로 전기적 신호의 송수신이 가능하며 노이즈가 적기 때문에 효율적인 기능을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 플립칩의 수명 향상을 기대할 수 있다. 그러나 플립칩은 시스템의 구동에 따라 발열이 필연적으로 증가하게 되고, 열팽창계수(CTE)가 상이한 재료들이 적층된 구조로 구성되어 있기 때문에 모듈내의 불균일한 온도분포를 형성하여 서로 다른 물질 간의 계면에서 균열과 박리와 같은 문제점들이 발생하게 된다.2-3)
플립칩 기술이란?
플립칩 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 주변 정렬 방식을 가지는 와이어 본딩 기술에 비해 패키지 점유면적을 크게 줄일 수 있고 외부 잡음, 전기용량 및 인덕턴스 값을 기존의 패키지에 비하여 월등히 감소시킬 수있으며, 전기적 지연을 줄일 수 있는 장점이 있어 산업적으로 널리 활용되고 있다.
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