[논문]잔류응력으로 인한 패키지 기판 굽힘 변형량 예측

김철규; 최혜선; 김민성; 김택수

doi:10.6117/kmeps.2013.20.1.021

잔류응력으로 인한 패키지 기판 굽힘 변형량 예측
Packaging Substrate Bending Prediction due to Residual Stress 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.20 no.1, 2013년, pp.21 - 26

김철규 (KAIST 기계공학과) , 최혜선 (KAIST 기계공학과) , 김민성 (삼성전기) , 김택수 (KAIST 기계공학과)

초록
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본 연구는 유한 요소 시뮬레이션을 이용하여 계산한 시편의 곡률과 3D 스캐너로 측정한 곡률을 비교하여 패키지 기판 구조의 휨 거동을 예측하는 새로운 분석 방법을 제안한다. 패키지 기판은 프리프레그 경화나 구리 패턴 도금과 같은 다양한 공정을 거치면서 쉽게 휘게 된다. 기판의 휨이 어떤 공정에서 어느 정도 생기는지를 알아보기 위하여 다양한 종류의 시편을 제작하고 각 시편의 형상을 3D스캐너를 이용하여 측정하였다. 그 후 시편의 형상으로부터 film에 걸리는 잔류 응력을 휨을 이용한 수식으로부터 계산하였다. 패키지 기판에 들어가는 절연체는 수지와 서로 직교 존재하는 섬유의 다발로 구성되어 있는 복합재료로서 이방성을 띄게 되는데 이는 패키지 기판의 독특한 굽힘 거동을 일으킨다. 우리는 유한 요소 법에 의한 휨 변형을 시뮬레이션하고 측정 데이터를 이용하여 시뮬레이션 휨을 비교하였다. 측정된 휨으로부터 계산한 전해 구리 도금 응력은 약 58 MPa이다. 솔더 레지스트와 프리프레그의 경화 응력은 각각 실온에서 13 MPa 및 6.4 MPa 정도이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents new analysis method to predict bending behavior of packaging substrate structure by comparing finite element method simulation and measured curvature using 3D scanner. Packaging substrate is easily bent and deflected while undergoing various processes such as curing of prepreg and copper pattern plating. We prepare specimens with various conditions and measure contours of each specimen and compute the residual stresses on deposited films using analytical solution to find the principle of bending. Core and prepreg in packaging substrate are made up of resin and bundles of fiber which exist orthogonally each other. Anisotropic material properties cause peculiar bending behavior of packaging substrate. We simulate the bending deflection with finite element method and verify the simulated deflection with measured data. The plating stress of electrodeposited copper is about 58 MPa. The curing stresses of solder resist and prepreg are about 13 MPa and 6.4 MPa respectively in room temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 기판의 경박단소화로 공정과정에서 외력으로 인해 쉽게 변형되는 기판의 휨 현상을 분석하는 mechanism 연구를 수행하였다. Stress-free substrate 위에 Cu, PPG, SR 등을 적층하여 측정 시편을 만들고 휨을 3D scanner를 이용하여 측정하였다.

가설 설정

본 수식은 강한 잔류응력으로 인해bifurcation이 일어난 이후의 시편에 대해서 적용 가능하다. 잔류응력을 계산할 때의 가정은 film이 도포되기 전의 substrate 는 stress-free 상태라는 것이다. substrate 위의film은 잔류응력으로 인해 변형하게 되는데 film에 걸리는 stress를 계산하기 위해서는 준비한 시편은 film 도포 전에 굴곡이 없는 substrate위에 film을 도포해야 한다.

제안 방법

4,5) 본 연구에서는 굽힘 변형을 분석하기 위해 bilayer 시편을 제작하였고 구리 도금 공정이나 프리프레그, 솔더 레지스트의 경화 공정 등을 시행하였을 때의 굽힘을 측정하였다. 굽힘 측정에는 3D 스캐너로 시편 전체 형상을 데이터화 하였고 이를 이용하여 시편의 휨을 계산 할 수 있었다.
곡률을 계산한 후에는 곡률로부터 대변형(large deformation)에 사용 가능한 analytic model에 대입하여 잔류응력을 직접 계산한다.⁶⁾ 계산된 잔류응력을 유한 요소 시뮬레이션 모델에 대입하고 대변형과 bifurcation을 고려하여 박판의 굽힘 변형을 계산한다. 마지막으로 시뮬레이션 결과를 굽힘 변형 량, 굽힘 변형 모드, 굽힘 변형 방향들의 항목에 대하여 실제 기판의 결과와 비교 및 검증하게 된다.
본 연구는 기판의 경박단소화로 공정과정에서 외력으로 인해 쉽게 변형되는 기판의 휨 현상을 분석하는 mechanism 연구를 수행하였다. Stress-free substrate 위에 Cu, PPG, SR 등을 적층하여 측정 시편을 만들고 휨을 3D scanner를 이용하여 측정하였다. 측정된 휨으로부터 시편에 걸리는 stress를 분석하였고 simulation을 통해 실제 시편과 굽힘 변형량, 굽힘 변형 모드, 굽힘 변형 방향등을 비교, 검증하였다.
이를 이용하여 3D fitting을 하게 되면 fitting 된 식으로부터 곡률을 계산할 수 있다. 곡률을 계산한 후에는 곡률로부터 대변형(large deformation)에 사용 가능한 analytic model에 대입하여 잔류응력을 직접 계산한다.⁶⁾ 계산된 잔류응력을 유한 요소 시뮬레이션 모델에 대입하고 대변형과 bifurcation을 고려하여 박판의 굽힘 변형을 계산한다.
구리 층의 잔류응력에 의한 박판의 굽힘 변형을 시뮬레이션하기 위하여 구리 잔류응력을 시편 전체가 아닌 구리 층에 직접 입력하였다. 상기의 시뮬레이션은 계산 값인 58MPa을 대입하였다.
기판의 실제 이방성 물성을 고려하기 위해 Laminar mode의 물성 대입을 사용하여 각축 방향의 Young’s modulus, shear modulus, Poisson ratio를 직접 입력해주었다.
대변형으로 인한 bifurcation 현상을 고려하기 위해 기존에 사용하던 선형 모드 시뮬레이션이 아닌 비선형 모드 시뮬레이션을 한다.
기존의 굽힘 변형을 다루는 논문의 경우에는 substrate에 비해 film이 매우 얇으며 변형이 substrate의 두께에 비해 작을 경우에만 적용이 가능하다. 따라서 기판의 변형이 크고 film의 물성을 무시할 수 없을 경우를 고려해 적용 가능한 수식을 사용 하였다.¹²⁾
4 MPa정도로 Cu에 비해 작은 값을 보였다. 상기의 잔류응력은 bilayer 상태의 film에 걸리는 잔류응력을 계산하였다. 실제품은 패턴의 효과로 시표 제작조건이 달라질 수 있어 지속적인 연구가 필요하다.
실험을 위한 다층 박판 시료는 패널의 크기를 갖는 박판을 먼저 제작한 후 3D 스캐닝이 가능한 크기로 절단하여 제작하였다. 이 때 절단된 박판의 굽힘 변형은 절단 전 패널의 굽힘 변형을 유지한다.
Stress-free substrate 위에 Cu, PPG, SR 등을 적층하여 측정 시편을 만들고 휨을 3D scanner를 이용하여 측정하였다. 측정된 휨으로부터 시편에 걸리는 stress를 분석하였고 simulation을 통해 실제 시편과 굽힘 변형량, 굽힘 변형 모드, 굽힘 변형 방향등을 비교, 검증하였다. 사용되는 Core의 경우 재료의 이방성으로 인해 휨 경향이 장방향과 단방향 또 비틀림 휨이 혼재되어 발견되었으며 기판은 라우팅 전 전체 패널의 휨을 따라갔다.
굽힘 측정에는 3D 스캐너로 시편 전체 형상을 데이터화 하였고 이를 이용하여 시편의 휨을 계산 할 수 있었다. 휨으로부터 계산한 잔류응력을 유한 요소 시뮬레이션의 결과와 비교하여 계산한 잔류응력이 얼마나 유효한가를 검증하였다.

대상 데이터

4 MPa로 Cu에 발생한 잔류응력이 다른 재료에 비하여 월등히 높았다. 시편은 동일한 substrate 위에 도금 전류 밀도가 다른 구리와 두 가지 종류의 솔더 레지스트 그리고 프리프레그를 film을 사용하여 각 각 bilayer로 이루어져 있으며 사용하였다. 판넬 크기(405 mm*510 mm)로 공정을 거치고 그 후 라우팅을 하여 시편을 제작하였다.
시편은 동일한 substrate 위에 도금 전류 밀도가 다른 구리와 두 가지 종류의 솔더 레지스트 그리고 프리프레그를 film을 사용하여 각 각 bilayer로 이루어져 있으며 사용하였다. 판넬 크기(405 mm*510 mm)로 공정을 거치고 그 후 라우팅을 하여 시편을 제작하였다. Substrate의 물성은 warp/fill 방향에 대해서 28 GPa이고 두께는 0.

데이터처리

⁶⁾ 계산된 잔류응력을 유한 요소 시뮬레이션 모델에 대입하고 대변형과 bifurcation을 고려하여 박판의 굽힘 변형을 계산한다. 마지막으로 시뮬레이션 결과를 굽힘 변형 량, 굽힘 변형 모드, 굽힘 변형 방향들의 항목에 대하여 실제 기판의 결과와 비교 및 검증하게 된다. 이를 도식화 하면 Fig.

이론/모형

시뮬레이션 조건은 Table 2에 기술되어 있다. 시뮬레이션 모델은 shell composite 모델을 사용하였으며 in-plane 방향으로 stress를 주어 어떻게 변형하는지를 살펴보았다. 왼쪽의 선형 모델 시뮬레이션의 경우에는 대변형에도 불구하고 spherical shape의 곡률을 유지하고 있다.

성능/효과

각 재료 별로 계산된 잔류응력은 Fig. 9와 같이 Cu ~56 MPa, PPG ~13 MPa, SR ~6.4 MPa로 Cu에 발생한 잔류응력이 다른 재료에 비하여 월등히 높았다. 시편은 동일한 substrate 위에 도금 전류 밀도가 다른 구리와 두 가지 종류의 솔더 레지스트 그리고 프리프레그를 film을 사용하여 각 각 bilayer로 이루어져 있으며 사용하였다.
그로 인해 방향에 따라 재료의 물성이 달라진다. 방향 별 물성을 따로 고려해 주어 박판 굽힘 변형의 계산 정확성을 높였다.
사용되는 Core의 경우 재료의 이방성으로 인해 휨 경향이 장방향과 단방향 또 비틀림 휨이 혼재되어 발견되었으며 기판은 라우팅 전 전체 패널의 휨을 따라갔다. 종류별 잔류응력의 크기는 Cu가 ~58 MPa정도로 가장 컸으며 PPG와 SR은 각 각 ~13 MPa, 6.4 MPa정도로 Cu에 비해 작은 값을 보였다. 상기의 잔류응력은 bilayer 상태의 film에 걸리는 잔류응력을 계산하였다.

후속연구

상기의 잔류응력은 bilayer 상태의 film에 걸리는 잔류응력을 계산하였다. 실제품은 패턴의 효과로 시표 제작조건이 달라질 수 있어 지속적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PCB 기판의 휨에 영향을 주는 것은 무엇인가?	PCB 기판의 경우, Core의 물성과 공정과정에서 받는 영향이 휨에 영향을 준다.4,5) 본 연구에서는 굽힘 변형을 분석하기 위해 bilayer 시편을 제작하였고 구리 도금 공정이나 프리프레그, 솔더 레지스트의 경화 공정 등을 시행하였을 때의 굽힘을 측정하였다.
	대면적 다층 박판은 많은 공정을 거치면서 무엇에 의해 쉽게 변형되는가?	이런 제품의 경향에 따라 박판의 굽힘 변형이 심각한 문제로 대두되었다. 대면적 다층 박판은 많은 공정을 거치면서 누적된 잔류 응력에 의하여 쉽게 변형된다. 그러나 워낙 다양하고 복잡한 공정이 자동화되어 있어 어느 공정에서 어떤 원인으로 굽힘 변형이 발생하는지 정확하게 파악하기 힘든 실정이다.
	인쇄 회로 기판이 얇아짐에 따라 무엇의 변형이 심각한 문제로 대두되었는가?	전자제품의 휴대성을 높이기 위한 경박 단소화와 고성능화의 추세에 따라 인쇄 회로 기판 (PCB)도 또한 얇아지고 동시에 집적도는 높아지게 되었다. 이런 제품의 경향에 따라 박판의 굽힘 변형이 심각한 문제로 대두되었다. 대면적 다층 박판은 많은 공정을 거치면서 누적된 잔류 응력에 의하여 쉽게 변형된다.

참고문헌 (13)

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표제어: PCR

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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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