FCCSP용 기판의 warpage에 미치는 설계인자와 두께편차 영향에 대한 수치적 해석 Numerical Analysis on the Design Variables and Thickness Deviation Effects on Warpage of Substrate for FCCSP원문보기
본 논문에서는 FCCSP용 기판의 휨에 미치는 설계인자와 두께편차의 영향도를 분석하고 최적설계조건을 도출하기 위해 유한요소법에 의한 수치해석을 사용하였고 다구찌법에 의한 파라메타설계와 분산분석을 수행하였다. 해석 결과에 의하면 휨에 미치는 영향은 코어재료가 가장 크고 층별 두께(솔더레지스트, 프리프레그, 회로층)의 영향도는 낮은 것으로 분석되었다. 이때 솔더 레지스트와 프리프레그의 두께는 감소할수록 기판 휨은 감소하지만 회로층의 두께는 증가할수록 기판 휨이 감소하였다. 또한, 기판 휨에 대한 두께편차의 영향도 분석결과에 의하면 두께편차의 조합에 따라 기판휨은 최대 40%까지 증가하였다. 이것은 비록 개별 층의 두께편차가 기판품질 수준에 부합하더라도 두께편차 조합조건에 따라 기판 휨이 크게 달라질 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 제조공정에서 기판 휨을 줄이기 위해서 기판두께편차는 최적화되고 정밀하게 제어되어야 한다.
본 논문에서는 FCCSP용 기판의 휨에 미치는 설계인자와 두께편차의 영향도를 분석하고 최적설계조건을 도출하기 위해 유한요소법에 의한 수치해석을 사용하였고 다구찌법에 의한 파라메타설계와 분산분석을 수행하였다. 해석 결과에 의하면 휨에 미치는 영향은 코어재료가 가장 크고 층별 두께(솔더레지스트, 프리프레그, 회로층)의 영향도는 낮은 것으로 분석되었다. 이때 솔더 레지스트와 프리프레그의 두께는 감소할수록 기판 휨은 감소하지만 회로층의 두께는 증가할수록 기판 휨이 감소하였다. 또한, 기판 휨에 대한 두께편차의 영향도 분석결과에 의하면 두께편차의 조합에 따라 기판휨은 최대 40%까지 증가하였다. 이것은 비록 개별 층의 두께편차가 기판품질 수준에 부합하더라도 두께편차 조합조건에 따라 기판 휨이 크게 달라질 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 제조공정에서 기판 휨을 줄이기 위해서 기판두께편차는 최적화되고 정밀하게 제어되어야 한다.
In this paper, numerical analysis by finite element method, parameter design by the Taguchi method and ANOVA method were used to analyze about effect of design deviations and thickness variations on warpage of FCCSP substrate. Based on the computed results, it was known that core material in substra...
In this paper, numerical analysis by finite element method, parameter design by the Taguchi method and ANOVA method were used to analyze about effect of design deviations and thickness variations on warpage of FCCSP substrate. Based on the computed results, it was known that core material in substrate was the most determining deviation for reducing warpage. Solder resist, prepreg and circuit layer were insignificant effect on warpage relatively. But these results meant not thickness effect was little importance but mechanical properties of core material were very effective. Warpage decreased as Solder resist and circuit layer thickness decreased but effect of prepreg thickness was conversely. Also, these results showed substrate warpage would be increased to maximum 40% as thickness deviation combination. It meant warpage was affected by thickness tolerance under manufacturing process even if it were met quality requirements. Threfore, it was strongly recommended that substrate thickness deviation should be optimized and controlled precisely to reduce warpage in manufacturing process.
In this paper, numerical analysis by finite element method, parameter design by the Taguchi method and ANOVA method were used to analyze about effect of design deviations and thickness variations on warpage of FCCSP substrate. Based on the computed results, it was known that core material in substrate was the most determining deviation for reducing warpage. Solder resist, prepreg and circuit layer were insignificant effect on warpage relatively. But these results meant not thickness effect was little importance but mechanical properties of core material were very effective. Warpage decreased as Solder resist and circuit layer thickness decreased but effect of prepreg thickness was conversely. Also, these results showed substrate warpage would be increased to maximum 40% as thickness deviation combination. It meant warpage was affected by thickness tolerance under manufacturing process even if it were met quality requirements. Threfore, it was strongly recommended that substrate thickness deviation should be optimized and controlled precisely to reduce warpage in manufacturing process.
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문제 정의
따라서, 본 논문에서는 4층 FCCSP용 기판의 각 층 두께가 기판의 warpage에 미치는 영향을 다구찌법과 유한요소법으로 분석하고 warpage를 최소화할 수 있는 최적 조건을 도출하였다. 또한, 제조공정상 불가피하게 발생하는 두께편차가 warpage에 미치는 영향도 함께 분석하였다.
본 연구에서는 4층 FCCSP용 기판의 warpage에 미치는 설계인자들의 영향도 분석을 위해 유한요소해석을 수행 하였다. 해석결과에 의하면 기판의 코어와 프리프레그 재료의 영향도가 가장 높게 나타났으며 탄성계수가 높고 열팽창계수가 낮은 재료가 warpage 감소에 유리하였다.
가설 설정
Table 3은 이와 같이 계산된 회로층의 탄성계수와 열팽창 계수를 나타내었다. 회로층의 포아송비는 0.3으로 일정하다고 가정하였다. Table 4는 Table 2의 재료를 기준으로 다구찌법을 사용하여 warpage에 미치는 설계인자들의 영향도를 분석하기 위해 4인자 2조건을 나타낸 표이다.
제안 방법
13) 기판은 Fig. 1(a)와 같이 0.15 mm의 코어층을 중심으로 상하 2개의 회로층, 프리프레그층과 솔더레지스트층으로 구성되어 있는데, 회로층, 프리프레그층, 솔더레지스트층의 두께는 Table 5와 Table 7의 직교배열표와 같이 변화하도록 모델링하였다. 기판의 사이즈는 240 mm×160 mm×0.
14) 기판의 warpager가 작으면 작을수록 바람직한 설계라는 관점에서 망소특성을 선정하였고 성능특성치인 warpage값대신 SN비(Signal to Noise ratio)분석을 수행하였다. 해석에 의해 계산된 SN 비에 대한 분산분석은 ANOVA(Analysis of variance)를 이용하여 SN비에 영향을 미치는 설계변수를 관찰하고 SN 비를 최대로 하는 수준을 최적조건으로 선정하였다.
또한, 본 논문에서는 제조공정에서 불가피하게 발생하는 두께편차의 영향도 분석을 위해 실제 제조현장의 두께편차를 고려한 warpage해석을 수행하였다. 해석결과에 의하면 최적설계에 의해 발생한 warpage를 기준으로 두께편차에 따라 -30%~40%의 변동폭이 발생하였다.
따라서, 본 논문에서는 4층 FCCSP용 기판의 각 층 두께가 기판의 warpage에 미치는 영향을 다구찌법과 유한요소법으로 분석하고 warpage를 최소화할 수 있는 최적 조건을 도출하였다. 또한, 제조공정상 불가피하게 발생하는 두께편차가 warpage에 미치는 영향도 함께 분석하였다. 이와 같은 본 논문의 연구결과는 관련 분야에 종사하는 연구자들과 엔지니어들에게 기판의 warpage 감소를 위한 두께조정의 방향과 두께편차의 영향도를 수치적으로 제시하였다는데 의의가 있다.
본 논문에서는 기판의 설계인자들의 warpage에 대한 영향도를 분석하고 최적조건을 도출하기 위해 망소특성에 의한 파라미터 설계를 적용하였다.14) 기판의 warpager가 작으면 작을수록 바람직한 설계라는 관점에서 망소특성을 선정하였고 성능특성치인 warpage값대신 SN비(Signal to Noise ratio)분석을 수행하였다.
본 논문에 사용된 기판의 회로층, 프리프레그, 솔더 레지스트의 두께편차는 각각 ±2 µm, ±20%, ±6 µm 수준으로 관리되는데 이러한 기판의 두께편차는 warpage불량에 매우 큰 영향을 주고 있다. 본 논문에서는 이러한 두께 편차의 warpage에 대한 영향을 분석하기 위하여 Table 6과같이 최소, 평균, 최대조건으로 해석을 수행하였다. Table 6의 평균값은 최적설계분석에 의해 결정된 수치들이며 Table 7과 같은 실험계획법에 의해 해석이 수행되었다.
1(b) 에서 표시한 것과 같이 기판의 중심의 노드를 고정하였다. 해석은 Fig. 2와 같은 리플로우 온도조건에서 기판의 warpage에 대한 수치해석을 수행하였다.
대상 데이터
기판의 사이즈는 240 mm×160 mm×0.23 mm이며, 12 mm×11 mm 크기의 유닛이 100개가 구성되어 있다.
이와 같이 4인자 2조건의 다구찌설계를 위해 본 논문에서는 Table 5와 같이 직교배열표 L8(42 )를 사용하였다. 본 논문에서 사용된 다구찌법은 warpage가 작으면 작을수록 강건설계인 망소조건을 사용하였다. 망소조건은 SN값이 높으면 높을수록 강건설계에 부합한 설계임을 의미한다.
Table 4는 Table 2의 재료를 기준으로 다구찌법을 사용하여 warpage에 미치는 설계인자들의 영향도를 분석하기 위해 4인자 2조건을 나타낸 표이다. 설계인자는 솔더 레지스트, 프리프레그, 회로층 두께와 기판의 코어와 프리프레그 재료의 4가지를 선정하였다. 이와 같이 4인자 2조건의 다구찌설계를 위해 본 논문에서는 Table 5와 같이 직교배열표 L8(42 )를 사용하였다.
데이터처리
14) 기판의 warpager가 작으면 작을수록 바람직한 설계라는 관점에서 망소특성을 선정하였고 성능특성치인 warpage값대신 SN비(Signal to Noise ratio)분석을 수행하였다. 해석에 의해 계산된 SN 비에 대한 분산분석은 ANOVA(Analysis of variance)를 이용하여 SN비에 영향을 미치는 설계변수를 관찰하고 SN 비를 최대로 하는 수준을 최적조건으로 선정하였다.
이론/모형
1(a), (b)는 FCCSP용 기판의 유한요소 모델을 보여 주고 있다. 본 논문에서는 유한요소해석을 위해 비선행 해석에 강점을 가지고 있는 범용 프로그램인 MSC/ Software사의 MSC/MARC2011 소프트웨어를 사용하였다.13) 기판은 Fig.
설계인자는 솔더 레지스트, 프리프레그, 회로층 두께와 기판의 코어와 프리프레그 재료의 4가지를 선정하였다. 이와 같이 4인자 2조건의 다구찌설계를 위해 본 논문에서는 Table 5와 같이 직교배열표 L8(42 )를 사용하였다. 본 논문에서 사용된 다구찌법은 warpage가 작으면 작을수록 강건설계인 망소조건을 사용하였다.
표에서 알 수 있는 바와 같이 재료 B가 재료 A에 비해 상대적으로 높은 탄성계수와 낮은 열팽창계수 값을 가지고 있다. 회로층의 물성은 단순 복합칙(Simle rule of mixture)를 적용하고 회로층의 잔동 율을 고려하여 유닛과 더미영역을 구분하여 계산하였다. Table 3은 이와 같이 계산된 회로층의 탄성계수와 열팽창 계수를 나타내었다.
성능/효과
8은 warpage에 대한 두께편차의 영향도를 분석한 결과이다. 결과에 의하면 프리프레그 두께편차의 영향도가 가장 크며 솔더 레지 지트 두께편차의 영향도는 매우 낮게 분석되었다. 또한솔더 레지스트 두께편차도 두께가 낮은 방향으로 제어하는 것이 warpage감소에 유리한 것을 알 수 있다.
다구찌 최적설계에 의해 솔더레지스트, 회로층, 프리프레그의 두께는 각각 12 µm, 16 µm, 40 µm으로 결정되었으며 이와 같은 조건에서 warpage는 약 20%이상 감소함을 확인하였다.
해석결과에 의하면 기판의 코어와 프리프레그 재료의 영향도가 가장 높게 나타났으며 탄성계수가 높고 열팽창계수가 낮은 재료가 warpage 감소에 유리하였다. 다음으로 솔더레지스트 두께, 프리프레그 두께, 회로층의두께순으로 영향도가 높게 분석되었다. 또한, 솔더레지스트와 회로층의 두께는 얇을수록, 프리프레그의 두께는 두꺼울수록 warpage 감소에 유리하였다.
다음으로 솔더레지스트 두께, 프리프레그 두께, 회로층의두께순으로 영향도가 높게 분석되었다. 또한, 솔더레지스트와 회로층의 두께는 얇을수록, 프리프레그의 두께는 두꺼울수록 warpage 감소에 유리하였다. 다구찌 최적설계에 의해 솔더레지스트, 회로층, 프리프레그의 두께는 각각 12 µm, 16 µm, 40 µm으로 결정되었으며 이와 같은 조건에서 warpage는 약 20%이상 감소함을 확인하였다.
본 연구에서는 4층 FCCSP용 기판의 warpage에 미치는 설계인자들의 영향도 분석을 위해 유한요소해석을 수행 하였다. 해석결과에 의하면 기판의 코어와 프리프레그 재료의 영향도가 가장 높게 나타났으며 탄성계수가 높고 열팽창계수가 낮은 재료가 warpage 감소에 유리하였다. 다음으로 솔더레지스트 두께, 프리프레그 두께, 회로층의두께순으로 영향도가 높게 분석되었다.
해석결과에 의하면 두께편차에 의해 회로층의 두께가 14 µm으로 증가하고 프리프레그는 32 µm으로 감소하며 솔더레지스트의 두께가 22 µm으로 증가하는 해석조건 7번의 경우 warpage가 최대 40%증가하였다.
4는 다구찌법의 망소조건을 사용하여 Table 2~Table 4와 같은 기판의 설계인자 조건으로 디자인 인자의 영향도분석을 수행한 결과이다. 해석결과에 의하면 솔더레지스트의 두께는 얇을수록, 프리프레그의 두께는 두꺼울수록, 회로층의 두께는 얇을수록, 코어와 프리프레그의 재료는 B일 때 기판의 warpage는 감소하였다. 또한, 그래프의 기울기가 클수록 warpage에 미치는 영향도는 높다는 것을 의미하기 때문에 warpage에 미치는 영향은 재료의 종류가 가장 높고 회로층의 두께가 가장 작은 것을 알 수 있다.
또한, 본 논문에서는 제조공정에서 불가피하게 발생하는 두께편차의 영향도 분석을 위해 실제 제조현장의 두께편차를 고려한 warpage해석을 수행하였다. 해석결과에 의하면 최적설계에 의해 발생한 warpage를 기준으로 두께편차에 따라 -30%~40%의 변동폭이 발생하였다. 이와 같은 해석결과로부터 warpage를 감소시키기 위해서는 기판두께의 최적설계 뿐만 아니라 두께편차의 관리가 매우 중요하며, warpage에 미치는 영향도가 높은 설계인자부터 정밀한 관리가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스마트기기의 수요가 급증함에 따라 FCCSP 패키지용 기판은 어떻게 변화하고 있는가?
최근 스마트기기의 폭발적인 수요증가로 Flip Chip Chip Scale Package(FCCSP)의 수요가 급증하고 스마트기기의 성능이 높아지며 디자인이 다양화되는 추세에 따라 FCCSP 패키지용 기판도 박판화, 고밀도화, 다양한 사이즈화가 진행되고 있다.1)
FCCSP 기판의 warpge가 증가하고 있는 이유는 무엇인가?
이와 같은 FCCSP 패키지에는 언더필과 솔더조인트의 박리와 크랙, 솔더 조인트의 미결합 등 기판의 낮은 강성 도와 warpage 때문에 발생하는 많은 신뢰성 불량들이 존재하고 있으며2-7), 패키지와 기판 레벨의 warpage를 감소시키기 위한 연구가 학계와 산업계에서 지속적으로 진행되고 있다.8-9) 특히, 최근 FCCSP 기판의 코어두께가 감소하거나 코어가 없는 코어리스 구조가 확대되면서 기판의 warpage 가 증가하고 있으며 이러한 warpage는 패키지의 신뢰성불량과 생산성 하락에 근원적 원인이 되고 있다.10-11)
FCCSP 기판의 낮은 강성도와 warpage 때문에 발생하는 신뢰성 불량은 무엇인가?
이와 같은 FCCSP 패키지에는 언더필과 솔더조인트의 박리와 크랙, 솔더 조인트의 미결합 등 기판의 낮은 강성 도와 warpage 때문에 발생하는 많은 신뢰성 불량들이 존재하고 있으며2-7), 패키지와 기판 레벨의 warpage를 감소시키기 위한 연구가 학계와 산업계에서 지속적으로 진행되고 있다.8-9) 특히, 최근 FCCSP 기판의 코어두께가 감소하거나 코어가 없는 코어리스 구조가 확대되면서 기판의 warpage 가 증가하고 있으며 이러한 warpage는 패키지의 신뢰성불량과 생산성 하락에 근원적 원인이 되고 있다.
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