[논문]반도체 패키징용 기계식 프레스의 최적설계에 관한 연구

김문기

doi:10.7735/ksmte.2013.22.3.356

[국내논문] 반도체 패키징용 기계식 프레스의 최적설계에 관한 연구
A Study on the Optimal Design of Mechanical Molding Press for Semiconductor Packaging 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.22 no.3, 2013년, pp.356 - 363

김문기 (School of Mechatronics Engineering, Korea University of Technology and Education)

Abstract ▼ AI-Helper

Mechanical molding press which is used for transformation process during semiconductor manufacturing process has structural deformations by pressure. If these deformations have over limit range, life of the press itself can be reduced and it will be exerted on a bad effect for quality of the semiconductor. In this research, the main plates and links of a press are analyzed in relation to the structural deformations caused by pressure excluding thermal deformations. After modifying the modeling, the analysis is performed again to determine optimal design of the press, and this design is introduced to ensure that most of the stresses on the main plates are within safe allowable limits. As a result, an optimal design method for the structure is investigated to produce the desired pressure even when the size of the main structure is minimized.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 반도체 성형공정 중 완성된 반도체의 절연 및 보호의 목적으로 반도체의 외부를 열경화성 수지로 씌우는 공정인 몰딩 공정에서 이용되는 기계식 프레스의 성능향상을 목적으로 가압에 의한 구조 변형을 해석하여 성형 품질을 보증 하면서도 최소의 구조물과 동력장치를 가질 수 있도록 기계식프레스의 최적 설계방법을 연구하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 프레스를 구성하는 주요 구조물에 대한 변형량 및 응력에 관하여 해석하고, 이를 설계에 반영하여 변형이 최소화되는 구조물의 형상을 구현하였다. 해석에 사용된 프로그램은 MSC 社의 “Visual Nastran 2004”이다^[5].
링크부와 하부 슬라이드 플레이트의 응력을 줄이기 위해서 받침플레이트의 두께 증가 및 링크 부 모깍기의 코너반경을 늘리는 방법으로 설계 변경하였다. 그 결과로 링크부 최고 응력이 280 MPa까지 32% 감소되었고, 타이바 역시 최고응력이 수정 전 630 MPa에서 수정 후 328 MPa로 크게 감소하였다.
본 연구에서 기계식 프레스의 주요 플레이트들과 링크의 압력에 의한 변형을 해석하고, 해석 결과를 바탕으로 모델링을 수정 후 재해석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

해석을 위한 첫 단계로 주물의 탄성계수(Young’s modulus)를 가능한 정확하게 구하는 것이 필요하다. 정확한 해석을 위하여 주물의 일부분을 절단하여 시편을 제작하고, 시편의 탄성계수를 10회 측정 하여 평균값을 구한 후, 이를 유한요소 해석 프로그램의 입력 데이터로 사용 하였다. 탄성계수 이외의 값은 www.
정확한 해석을 위하여 주물의 일부분을 절단하여 시편을 제작하고, 시편의 탄성계수를 10회 측정 하여 평균값을 구한 후, 이를 유한요소 해석 프로그램의 입력 데이터로 사용 하였다. 탄성계수 이외의 값은 www.matweb.com에서 참고로 한 흑연구상주철(FCD450)의 물성치를 입력 데이터로 사용하였고, 주물 시험편은 3 mm × 4 mm × 40 mm의 블록 형태로 제작하여 초음파를 이용한 탄성계수 측정 장치로 측정하였다. 주물시험편 탄성계수를 측정하여 평균값 170.
주요 구조물은 대부분 FCD450과 기계구조용 탄소강(SM45C)으로 이루어졌으며, 금형부의 부품은 SM45C가 주 소재이다.

성능/효과

(1) 주요 플레이트들이 대부분 안전한 허용응력 이내로 응력이 발생하도록 모델을 수정 할 수 있었다.
(2) 하부 슬라이드 플레이트의 경우 다른 플레이트들에 비하여 변형량이 크게 예측되었다.
(3) 하부 슬라이드 플레이트의 변형이 타이바의 구조를 뒤틀리게 만들고 이러한 타이바의 뒤틀림은 프레스 구조물의 상하운동에 영향을 미쳐 성형품질이 나빠질 수 있음을 알 수 있었다.

후속연구

(4) 전체적으로 하부슬라이드 플레이트를 제외한 다른 플레이트들은 과도한 안전율이 적용되어 향후 크기를 더 줄여나갈 여지가 있음을 알 수 있었다.
(5) 타이바와 링크부는 적절한 크기로 설계되었으며 하부 슬라이드플레이트는 변형에 대한 구조보완 설계가 필요함을 알 수 있었다.
(6) 실제 성형 공정의 경우 열에 의한 구조물의 변형 및 열응력이 함께 발생하므로 열전달에 의한 열변형을 함께 고려해 주어야한다. 충분한 열전달이 일어나 열평형 상태에 도달한 온도에서 주요 플레이트들의 타이바 가이드홀의 치수가 일치 되도록 이에 대한 해석이 추가로 연구 되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체 패키징 방법으로 트랜스퍼 성형(transfer molding)방식을 채택하는 이유는?	현재의 반도체 패키징 방법은 양산성과 가격을 고려하여 대부분 트랜스퍼 성형(transfer molding)방식을 채택하고 있다. 이 방식으로 반도체를 패키징하는데 필요한 장비가 오토몰드시스템(auto mold system)이며, 패키지를 완성하기 위해 수지 봉지재에 압력을 가하는 역할을 맡고 있는 프레스가 전체 시스템의 핵심 모듈이라고 할 수 있다.
	트랜스퍼 성형(transfer molding)방식에 필요한 장비는 무엇인가?	현재의 반도체 패키징 방법은 양산성과 가격을 고려하여 대부분 트랜스퍼 성형(transfer molding)방식을 채택하고 있다. 이 방식으로 반도체를 패키징하는데 필요한 장비가 오토몰드시스템(auto mold system)이며, 패키지를 완성하기 위해 수지 봉지재에 압력을 가하는 역할을 맡고 있는 프레스가 전체 시스템의 핵심 모듈이라고 할 수 있다. 오토몰드시스템은 프레스를 포함하여 여러 모듈로 구성 되어있는데 핵심 모듈인 프레스는 70～90년대 초반까지는 유압을 이용하여 구동하는 프레스가 주류이었으나 90년대 후반부터 유압프레스의 여러 단점 및 패키징 기술의 고도화 요구로 서보모터를 이용한 기계식 프레스로 대체 되었다.
	오토몰드시스템의 특징은?	이 방식으로 반도체를 패키징하는데 필요한 장비가 오토몰드시스템(auto mold system)이며, 패키지를 완성하기 위해 수지 봉지재에 압력을 가하는 역할을 맡고 있는 프레스가 전체 시스템의 핵심 모듈이라고 할 수 있다. 오토몰드시스템은 프레스를 포함하여 여러 모듈로 구성 되어있는데 핵심 모듈인 프레스는 70～90년대 초반까지는 유압을 이용하여 구동하는 프레스가 주류이었으나 90년대 후반부터 유압프레스의 여러 단점 및 패키징 기술의 고도화 요구로 서보모터를 이용한 기계식 프레스로 대체 되었다.

참고문헌 (10)

Park, W. K., Lee, J. G., Kim, W. B., Hong, S. W, 2005, Development of the Toggle Link System for Electric Molding Machine using ADAMS, LG Cable and System Ltd.
Jung, H. S., Yoo, J. H., 2012, Tie-bar Elongation Evaluation of Toggle Type Injection Molding Machine, Journal of the KSMTE, 21:4 672-676.

원문보기 상세보기
Lee, J. H., Lee, K. C., 1987, A Study on the Development of Plastic Injection Moulding Machine, Korea Institute of Machinery and Materials.
Lim, D. H., Lee, B. W., Rhyu, H. H., Kim, H. K., 2003, An Experimental Study on the Strength Evaluation of A1-5052 Tensile-Shear Specimens Using a Mechanical Press Joining Method, Journal of the KSMTE, 12:1 58-64.
MSC. (MacNeal-Schwendler Corporation), 2004, Software Corporation, MSC. Visual Nastran Desktop, Tutorial.
Logan, D. L., 2006, A First Course in the Finite Element Method, CENGAGE LEARNING.
Adams, V., Askenazi, A., 2008, Finite Element Method, SciTech Media.
Gao, S., Budde, L., 1994, Mechanism of Mechanical Press Joining, Int. Journal of Machine Tools and Manufacture, 34:5 641-657.

상세보기
Jung, H. S., Yoo, J. H., 2011, An Experimental Study on the measurement Performance of Injection Molding Machine, KSMTE Autumn Conference, 134-135.
Lee, J. I., 2008, The Stress Analysis of Semiconductor Package, Journal of the KSMTE, 17:3 14-19.

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