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논문 상세정보

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스트레인 게이지를 이용한 패키지 재료의 열팽창계수 측정

Measurement of Thermal Expansion Coefficient of Package Material Using Strain Gages

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society v.20 no.3 , 2013년, pp.37 - 44  
양희걸 (충북대학교 기계공학부 ) ;  주진원 ( 충북대학교 기계공학부)
초록
용어

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유연 솔더가 실장된 패키지와 무연 솔더가 실장된 패키지의 온도에 따른 변형 거동은 솔더 자체의 물성치 뿐만 아니라 패키지를 구성하는 재료의 물성치에도 큰 영향을 받는다고 알려져 있다. 본 논문에서는 스트레인 게이지의 온도특성을 이용하여 미지 재료의 열팽창계수를 결정하는 방법을 정립하고, 반도체 패키지 몰딩 화합물의 열팽창계수를 실험적으로 구하였다. 탄소강과 알루미늄 시편을 기준 시편으로 사용하고 스트레인 게이지 측정을 통하여 온도에 따른 유연 솔더용 몰딩 화합물과 무연 솔더용 몰딩 화합물의 열팽창계수를 구하고, 무아레 간섭계를 이용하여 비접촉적으로 열팽창 계수를 측정하여 결과를 비교하였다. 기준 시편에 따른 두 가지 스트레인 게이지 실험 결과와 무아레 실험 결과가 잘 일치하여서 실험방법에 신뢰성이 있는 것을 보였다. 유연 솔더용 몰딩 화합물의 경우에는 열팽창계수가 온도에 관계없이 약 $15.8ppm/^{\circ}C$로 측정되었고, 무연 솔더용의 경우에는 $100^{\circ}C$이하의 온도에서 몰딩 화합물의 열팽창계수는 약 $9.9ppm/^{\circ}C$이었으나 $100^{\circ}C$이상에서는 온도가 증가함에 따라 열팽창계수가 급격하게 증가되어 $130^{\circ}C$에서는 $15.0ppm/^{\circ}C$의 값을 가졌다.

Abstract

It is well known that thermal deformation of electronic packages with Pb-Sn solder and with lead-free solder is significantly affected by material properties consisting the package, as well as those of the solder itself. In this paper, the method for determining coefficient of thermal expansion(CTE) of new material is established by using temperature characteristic of strain gages, and the CTE of molding compound are obtained experimentally. The temperature-dependent CTE of molding compound for Pb-Sn solder and that for lead-free solder are obtained by using strain measurements with well known steel specimen and aluminium specimen as reference specimens, and the CTE's are also measured non-contactly by using moire interferometry. Those results are compared, and the agreement between the two types of strain gage experiment and the moire experiment show the strain gage method used in this paper to be reliable. In the case of the molding compound for Pb-Sn solder, the CTE is measured as approximately $15.8ppm/^{\circ}C$ regardless of the temperature. In the case for the lead-free solder, the CTE is measured as of approximately $9.9ppm/^{\circ}C$ below the temperature of $100^{\circ}C$, and then the CTE is increased sharply depending on the temperature, and reaches to $15.0ppm/^{\circ}C$ at $130^{\circ}C$.

주제어

#WB-PBGA package   #Coefficient of thermal expansions   #Strain gage   #Moir $\acute{e}$ Interferometry   #Molding compound   #Lead-free solder  

본문요약 

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문제 정의
  • 본 논문에서는 스트레인 게이지의 온도특성을 이용하여 미지 재료의 열팽창계수를 결정하는 방법을 정립하고, 반도체 패키지 몰딩 화합물의 열팽창계수를 실험적으로 구 하였다.

    본 논문에서는 스트레인 게이지의 온도특성을 이용하여 미지 재료의 열팽창계수를 결정하는 방법을 정립하고, 반도체 패키지 몰딩 화합물의 열팽창계수를 실험적으로 구 하였다. 탄소강과 알루미늄 시편을 기준 시편으로 사용하여 온도에 따른 유연 솔더용 몰딩 화합물과 무연 솔더용 몰딩 화합물의 열팽창계수를 구하고, 무아레 간섭계9) 를 이용하여 비접촉적으로 열팽창 계수를 측정하여 결과를 비교하였다.

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전자패키지에서 사용되는 무연 솔더
전자패키지에서 사용되는 무연 솔더로는 무엇이 많이 사용되고 있는가?
주석, 은, 구리 합금(Sn-Ag-Cu, SAC)

전자 패키지 등 각종 전자제품의 접합제로 쓰여 왔던 유연 솔더는 여러 규제로 인하여 무연 솔더로 대체되고 있으며 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 전자패키지에서 사용되는 무연 솔더로는 주석, 은, 구리 합금(Sn-Ag-Cu, SAC)이 많이 사용되고 있으며, 이와 같은 무연 솔더에 대한 연구는 주로 재료의 발견과 공정 적응성의 관점에서 이루어졌으나 최근에는 기계적인 성질이나 신뢰성의 관점에서의 연구1-3)가 활발하게 이루어지기 시작하였다.

솔더의 재료를 패키지에 적용
솔더의 재료를 패키지에 적용 시, 중요한 것은?
재료의 용융점, 접착 성질 등의 이유로 패키지를 구성하고 있는 재료도 알맞게 선택되어야 한다

솔더의 재료를 패키지에 적용할 때에는 재료의 용융점, 접착 성질 등의 이유로 패키지를 구성하고 있는 재료도 알맞게 선택되어야 한다. Joo 등4)은 유연 솔더가 실장된 패키지와 무연 솔더가 실장된 패키지의 온도에 따른 열변형 거동을 비교하면서 패키지의 변형 거동은 솔더 자체의 물성치 뿐만 아니라 몰딩 화합물(molding compound) 및 패키지 기판(substrate)의 물성치에도 큰 영향을 받는다고 발표하였다.

Dilatometer 방법
Dilatometer 방법과 같은 기존의 열팽창계수 측정 방법의 문제점은?
각각의 방법은 시편의 준비에 제한이 있어 측정이 불가능한 경우가 많으며, 패키지가 제조될 때 조건에 따라 재료의 물성치가 변화할 수도 있고, 미세한 화학적 조성비나 제조공정에 따라 열팽창계수가 상당히 차이날 수도 있다

열팽창계수를 측정하기 위해서는 Dilatometer 방법5-8) 등 여러 가지 방법이 이용되고 있다. 그러나 각각의 방법은 시편의 준비에 제한이 있어 측정이 불가능한 경우가 많으며, 패키지가 제조될 때 조건에 따라 재료의 물성치가 변화할 수도 있고, 미세한 화학적 조성비나 제조공정에 따라 열팽창계수가 상당히 차이날 수도 있다. 이러한 경우에는 완제품으로 실장된 패키지를 구성하고 있는 재료의 열팽창계수를 신뢰성 있게 측정할 수 있는 방법이 필요하다.

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저자의 다른 논문

양희걸(2) 주진원(35)

참고문헌 (11)

  1. 1. I. N. Jang, J. H. Park and Y. S. Ahn, "Mechanical Characteristic Evaluation of Sn-Ag-Cu Lead Free Solder Ball Joint on the Pad Geometry", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(2), 41 (2010). 
  2. 2. I. Kim, T. Park and S.-B. Lee, "Comparative study of the Fatigue Behavior of SnAgCu and SnPb Solder Joits", Trans. KSME, 28(12), 1856 (2004). 
  3. 3. B. H. Lee and J. W Joo, "Assessment of Viscoplastic Deformation Behavior of Eutectic Solder and Lead-free Solder", J. Microelectron. Packag. Soc., 18(2), 17 (2011). 
  4. 4. B. H. Lee, M. K. Kim and J. W. Joo, "Thermo-mechanical Behavior of WB-PBGA Packages with Pb-Sn Solder and Lead-free solder Using Moire Interferometry" J. Microelectron. Packag. Soc., 17(3), 17 (2010). 
  5. 5. J. J. Neumeier, R. K. Bollinger, G. E. Timmins, C. R. Lane, R. D. Krogstad and J. Macaluso, "Capacitive-Based Dilatometer Cell Constructed of Fused Quartz for Measuring the Thermal Expansion of Solids", Rev. Sci. Instruments, 79, 033903 (2008). 
  6. 6. Theta Industries, Inc., Dilatometer Listing(2013) from http://www.theta-us.com/dil/dil1.html 
  7. 7. C. Linseis, "The Next Step in Dilatometry, Invention and Use of the Linseis Laser Dilatometer", Linseis Messgeraete GmbH, Selb (Germany). 
  8. 8. M. Paganelli, "The Non-Contact Optical Dilatometer Designed for the Behaviour of Ceramic Raw Materials", Expert System Solutions S.r.l.(2004) from www.expertsystemsolutions.com 
  9. 9. J. W. Joo, S. Cho and B. Han, "Characterization of Flexural and Thermo-Mechanical Behavior of Plastic Ball Grid Array Package Assembly Using Moire Interferometry", Microelectron. Reliab., 45(4), 637 (2005). 
  10. 10. Vishay Precisin Group (Micro-Measurements), "Strain Gage Thermal Output and Gage Factor Variation with Temperature", Strain Gages and Instruments, Tech Note TN-504-1, 35 (2010). 
  11. 11. TopLine Catalog(2010) from http://www.topline.tv 

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