[논문]플립칩 패키지의 열소산 최적화 연구

박철균; 이태호; 이태경; 정명영

doi:10.6117/kmeps.2013.20.3.075

플립칩 패키지의 열소산 최적화 연구
A Study on the Optimization of Heat Dissipation in Flip-chip Package 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.20 no.3, 2013년, pp.75 - 80

박철균 (부산대학교 인지메카트로닉스공학과) , 이태호 (부산대학교 광메카트로닉스연구소) , 이태경 (삼성전기) , 정명영 (부산대학교 인지메카트로닉스공학과)

초록
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전자패키징 기술의 발전에 따라 패키지의 소형화는 집적화에 따른 열 소산 면적 감소로 인하여 패키지의 온도 상승을 초래한다. 온도 상승은 소자의 성능을 저해하여, 시스템 고장을 발생을 유발시키며 수명을 단축시킨다. 본 연구에서는 마이크로 패턴과 세미 임베디드 구조를 결합하여 열 소산을 극대화 시킬 수 있는 새로운 구조를 제안하여 열특성을 평가하였다. 제안 구조의 열특성 평가 결과, 기존 구조에 비하여 최대 온도는 $20^{\circ}C$낮았으며, 범프의 최대 응력은 20%이상 감소하여 제안 구조의 유효성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

According to advance of electronic packaging technology, electronic package becomes smaller. Miniaturization of package causes the temperature rise of package. This can degrade life of electronic device and generate the failure of electronic system. In this study, we proposed a new semi-embedded structure with micro pattern for maximizing heat dissipation. A proposed structure showed the characteristics which have maximum temperature lower than $20^{\circ}C$ compared with conventional structure. And also, in view of thermal stress and strain, our structure showed a remarkably low value compared with other ones. We expect that the new structure proposed in this work can be applied to an flip-chip package of the future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

FCBGA의 발열문제를 해결할 수 있는 모델을 제시하고자 한다. Fig.
따라서 본 논문에서는 Fig. 10과 같이 semi-embedded 구조를 설계하여 기존의 플립칩 패키지에 있어서의 원활한 열소산을 구현하고자 하였으며, 시뮬레이션을 통한 열 해석을 수행하였다.
앞 절에서 플립칩 패키지의 열특성을 향상시키기 위하여 마이크로 패턴을 이용한 구조와 세미 임베디드 구조를 통한 열소산 특성을 살펴보았다. 따라서 본 논문에서는 마이크로패터닝과 세미 임베디드 구조를 결합한 최적 열소산 구조를 구현하고, 제안한 구조에 대한 열특성을 평가하였다. 본 논문에서는 기존의 플립칩 패키지에 대하여 마이크로 패턴을 칩에 형성 하였으며, 칩과 패키지 기판을 메인보드 안쪽으로 실장시켜, 아래부분에 Heat Spreader를 구현하여 플립칩에서 발생하는 열을 원활히 소산할 수 있는 구조를 형성하였다.
이는 범프와 솔더 볼의 열변형에 따라 시스템의 작동에 있어서 문제를 야기할 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 본 논문에서는 범프와 솔더볼에 대한 열변형 특성을 정량적으로 분석하기 위하여 TCT(Theraml Cycling test)를 이용한 시뮬레이션을 추가적으로 진행하였다.
본 논문에서는 모듈의 고집적화 및 소형화 추세에 따라 발생되는 패키징에 의한 발열 및 수명향상을 위하여 기존의 플립칩에서의 발열 특성을 분석하였고, 발열 문제를 해결할 수 있는 열설계 모델을 제시하였으며, 패턴의 피치와 높이에 따른 발열특성의 분석을 통하여 최적의 열소산 구조를 디자인하고자 하였다.
본 논문에서는 모듈의 고집적화 및 소형화에 따라 발생하는 발열에 따른 성능 저하를 방지하기 위하여 기존의 플립칩에서의 발열 특성을 분석하고, 이에 따른 플립칩 패키지의 열응력 및 열변형 특성을 분석하였다.
이후 전달된 열은 솔더볼을 통해 바깥쪽영역인 메인보드로 열소산이 이루어지게 된다. 본 논문에서는 칩에서 발생하는 열량을 계산하여, 이에 따른 플립칩 내에서의 온도 변화를 살펴보고, 열원을 제거했을 때의 온도변화를 통하여 최적의 열 소산 모델을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 최근 많이 사용되는 FCBGA (Flip-chip Ball Grid Array) 패키지에서 열을 효과적으로 소산하기 위한 새로운 구조를 제안하고, 시뮬레이션을 통하여 열 소산에 따르는 온도 분포, 열응력 및 열변형률을 해석함으로써, 열특성의 최적화를 수행하였다.

제안 방법

Fig. 2에서 볼수 있듯이, 200초의 시간 동안 7X107W/m²의 열원이 처음의 10초간 발생하여 이에 따른 플립칩에서의 온도변화를 살펴보고, 이후 열원을 제거함에 따라 각각의 제안된 모델의 방열특성을 살펴보고자 한다.
Fig. 3과 같이 Heat transfer module을 이용해서 20°C의 온도에서 기존의 플립칩 구조에 있어서의 열해석을 통하여, 기존 모델의 열 전달경로 특성을 파악하고, 열 분산기의 구조에 따른 열해석 모델링을 구현하였다.
Fig. 8에서 볼 수 있듯이, 25°C에서 시작하여 5분간격으로 125°C에서 -40°C의 온도구간을 반복하는 TCT를 선정하였고, 이에 따른 플립칩 패키지의 열변형특성을 분석하였다.
본 논문에서는 기존의 플립칩 패키지에 대하여 마이크로 패턴을 칩에 형성 하였으며, 칩과 패키지 기판을 메인보드 안쪽으로 실장시켜, 아래부분에 Heat Spreader를 구현하여 플립칩에서 발생하는 열을 원활히 소산할 수 있는 구조를 형성하였다. 그리고 칩에 열원을 인가하였을 때의 열소산 특성을 분석하였다. Fig.
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 간격에 따른 발열특성의 분석을 통하여 고효율의 열소산 구조를 설계하였다.
본 논문에서는 semi-embedded 구조에 대하여, 열원으로 작용하는 칩과 패키지 기판을 연결하는 솔더범프의 열 특성을 기존의 플립칩 패키지와 비교 분석하였으며, 그 결과를 Fig. 11에 나타내었다.
따라서 본 논문에서는 마이크로패터닝과 세미 임베디드 구조를 결합한 최적 열소산 구조를 구현하고, 제안한 구조에 대한 열특성을 평가하였다. 본 논문에서는 기존의 플립칩 패키지에 대하여 마이크로 패턴을 칩에 형성 하였으며, 칩과 패키지 기판을 메인보드 안쪽으로 실장시켜, 아래부분에 Heat Spreader를 구현하여 플립칩에서 발생하는 열을 원활히 소산할 수 있는 구조를 형성하였다. 그리고 칩에 열원을 인가하였을 때의 열소산 특성을 분석하였다.
앞 절에서 플립칩 패키지의 열특성을 향상시키기 위하여 마이크로 패턴을 이용한 구조와 세미 임베디드 구조를 통한 열소산 특성을 살펴보았다. 따라서 본 논문에서는 마이크로패터닝과 세미 임베디드 구조를 결합한 최적 열소산 구조를 구현하고, 제안한 구조에 대한 열특성을 평가하였다.
열전달 특성분석을 위한 시뮬레이션은 유한 요소 해석 Comsol 4.3b의 joule heating and thermal stress module을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
플립칩 범프의 열변형을 분석하였다. 우선 TCT 평가를 통하여 플립칩 패키지의 열변형 특성을 평가하였다.
우선 TCT의 온도조건을 통하여 플립칩 패키지의 열변형 특성을 평가하였다. 그 결과, 최대 75.
이를 위해서 본 연구에서는 우선 플립칩 패키지 전체에 대한 모델링을 시행하고, 그에 따른 열전달 특성을 분석하였다.
플립칩 범프의 열변형을 분석하였다. 우선 TCT 평가를 통하여 플립칩 패키지의 열변형 특성을 평가하였다.
플립칩 패키지의 열변형 특성 분성을 위하여 Fig. 4 와 같이 기존의 모델의 모델링 작업과 메쉬(mesh)를 생성시킨 후 그에 따른 열소산 특성을 분석하였다. 그리고 사용된 모델의 재료 특성 및 치수는 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

Comsol multiphysics의 heat transfer 모듈을 이용하여 열 설계 시뮬레이션을 시행한 결과에 따르면 패턴을 형성한 모델의 경우, 기존의 heat spreader 구조를 가지는 것에 비해 칩 부분에서 열소산 특성이 18.23% 향상시킴으로써, 15.293^oC 온도 감소 효과를 기대할 수 있었으며, 메인보드 부분에 있어서도 7.823^oC 온도 감소 효과를 기대할 수 있었다. 또한 방열에 있어서도 기존의 온도보다 8.
Fig. 9에서 볼 수 있듯이, 가열 및 냉각이 반복적으로 이루어질 때, 범프가 칩의 중심부분에서부터 바깥쪽에 위치할수록 많은 열응력이 가해지게 되고 최대 75.4 MPa의 열응력이 나타났다, 그에 따라 열에 의한 변형량이 크게 나타남을 확인할 수 있었으며 최대 11.7 µm의 열변형이 나타났다.
우선 TCT의 온도조건을 통하여 플립칩 패키지의 열변형 특성을 평가하였다. 그 결과, 최대 75.4 MPa의 열응력이 나타났다. 그리고 열변형의 경우, 최대 11.
그러나 semi-embedded 구조를 가지는 플립칩 패키지의 경우, 칩에서의 열소산 특성을 향상시켜 솔더범프에 최대 4.5 µm의 열변형을 나타내어 2.8 µm의 열변형 감소를 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.
플립칩의 경우, 범프의 위치 및 TCT cycle에 따른 열응력 변화가 15 MPa로 큰 차이를 보이지 않았다. 그리고 TCT cycle에 따라 네 번째 TCT cycle에서 열응력 및 열변형의 sl 정도가 기존의 TCT cycle에 비해 크게 높아짐을 볼 수 있었다.
또한, 범프의 위치 및 TCT cycle에 따른 열응력변화가 15 MPa로 변화를 나타냈다. 그리고 TCT cycle에 따라 네 번째 TCT cycle에서 열응력 및 열변형의 정도가 기존의 TCT cycle에 비해 크게 높아짐을 볼 수 있었다.
그리고 발생되는 열응력 감소에 따라 열변형 역시 최대 4.2 µm 감소시켜, 범프에서 발생되는 열변형을 48%감소시킴을 확인할수 있었다.
따라서 이와 같은 결과에 따라 칩의 구동시 솔더에 있어서의 열저항을 감소시킴으로써, 칩의 수명을 향상시킬 뿐만 아니라 효율적인 기능을 수행할 수 있는 플립칩을 구현함과 동시에 소형화 및 집적화는 지향하는 전자제품에 있어서의 열적 문제를 개선시킬 수 있음을 보였다.
따라서 제안한 열설계 구조를 통하여 기존의 플립칩 패키지에서 발생되었던 열응력을 최대 30 MPa 감소 시킬 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 발생되는 열응력 감소에 따라 열변형 역시 최대 4.
823^oC 온도 감소 효과를 기대할 수 있었다. 또한 방열에 있어서도 기존의 온도보다 8.484^oC의 온도감소를 나타냄을 보였다.
또한 열원을 제거했을 때의 방열 현상을 살펴본 결과, 칩의 온도가 76.6oC까지 점점 낮아지면서 열전도의 영향으로 대부분의 열이 메인보드로 이동하여 메인보드의 온도가 76.1°C까지 높아지게 되어 모델의 모든 재료가 열적 평형을 이루었다.
본 논문에서는 범프의 미세화로 인하여 전류밀도가 증가되고, 발열에 따른 높은 열응력 및 열변형이 플립칩 패키지의 시스템 구동에 문제를 발생시킬 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.
분석결과, 기존의 플립칩 패키지의 경우, 칩의 발열에 따라 솔더범프에 최대 7.2 µm의 열변형이 나타났다.
열설계를 통하여 제안된 semi-embedded 구조를 분석한 결과, 기존의 플립칩 패키지에 비하여 최고 온도 대비 19°C정도의 온도 감소를 Fig. 11의 결과에서 확인할 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

2 µm 감소시켜, 범프에서 발생되는 열변형을 48%감소시킴을 확인할수 있었다. 이는 반복적인 구동에 있어서 제안한 열설계 구조를 통하여 기존의 플립칩 패키지가 가지는 열소산 문제를 크게 제어할수 있다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자 소자 및 패키지의 장점은 무엇인가?	전자 소자 및 패키지는 낮은 작동 온도에서 더 효과적으로 전기적 신호의 송수신이 가능하며, 노이즈가 적기 때문에 효율적인 기능을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 소자의 수명 향상을 기대할 수 있다.2-3)
	전자 소자의 단점은 무엇인가?	그러나, 전자 소자는 구동에 따라 발열이 필연적으로 발생하게 되고, 이러한 발열의 증가는 열팽창계수(CTE) 가 상이한 재료들이 적층된 구조로 구성되어 있는 패키지의 불 균일한 온도분포를 형성하여, 서로 다른 물질 간의 계면에서 균열과 박리와 같은 문제점들이 발생하게 한다.2-3) 이에 따라, 온도에 민감하게 반응하는 소자는 수명이 저하되어 시스템의 고장 등의 문제점을 초래한다.
	Embedded PCB 기술의 한계는 무엇인가?	이러한 현재의 요구를 충족시키기 위하여 Embedded PCB가 대두되었다. 그러나 소자를 패키지의 내부 실장하는 기술이기 때문에, 소자의 불량에 따른 대처가 어려운 단점이 있어 일부 수동소자만을 임베디드 기술을 이용할 뿐 현재 널리 활용되지 못하고 있는 실정이다.8-10)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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