[논문]Al-Polymer 접합체의 흡습팽창에 대한 모아레 간섭 측정 및 수치해석

김기범; 김용연

doi:10.5762/kais.2014.15.6.3442

Al-Polymer 접합체의 흡습팽창에 대한 모아레 간섭 측정 및 수치해석
Moire Interferometry Measurement and Numerical Analysis for Hygroscopic Swelling of Al-Polymer Joint 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.6, 2014년, pp.3442 - 3447

초록
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본 논문에서는 간단한 플라스틱전자패키지의 폴리머 흡습특성 평가 방법을 제시하였다. 흡습팽창에 의한 변형을 측정하고 유한요소법으로 해석하였다. 흡습특성 평가를 위해 시편제작을 제작하고, 흡습시간에 따라 폴리머에 내재된 수분질량을 측정하여, 수치해석 결과와 비교분석하였다. 흡습확산 방정식은 열전달 방정식과 유사한 형태를 가지고 있기 때문에 열전달 해석 절차에 따라 상용 유한요소코드를 적용하여 흡습압력비를 구하고, 자체코드로 흡습질량을 계산하였다. 비전도성 폴리머는 동일 제품이라도 생산시기에 따라 흡습특성에 변화가 있었다. 여러 가지 흡습특성에 대해 흡습질량을 수치해석으로부터 계산하고 측정치에 가장 근접한 흡습질량 변화의 그래프를 선택하여 최적의 확산계수와 용해도를 구하였다. 제시된 방법은 빠른 대응을 요구하는 생산현장에서 반도체 패키지 폴리머의 흡습특성을 신속하게 평가하는 데 적용될 수 있을 것이다. 또한 흡습팽창을 모아레 간섭계로 측정하고 수치해석으로 비교하였다. 결과적으로 흡습질량의 측정값과 수치해석 결과를 비교하여 용해도와 확산계수는 0.0320 [g/mm/N]과 0.243 [$mm^2/{\mu}s$]으로 결정하였고, ANSYS 구조해석에 의한 변형은 모아레 간섭에 의한 측정결과와 매우 유사하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A simple method to evaluate the hygroscopic characteristics of polymer of microelectronic plastic package is suggested. To evaluate the characteristics, specimens were prepared, and the internally absorbed moisture masses were measured as a function of the absorbing time and calculated numerically. The hygroscopic pressure ratio was calculated by heat transfer analysis supported by commercial FEM code because the hygroscopic diffusion equation has the same form as the heat transfer equation. The moisture masses were then summed by the self developed code. The nonconductive polymers had quite different characteristics for the different lots, even though they were the same products. The absorbed moisture mass variations were calculated for several different characteristics, and the optimal curve of the mass variation close to experimental data was selected, whose solubility and diffusivity were affected by the hygroscopic characteristics of the material. The method can be useful in the industrial fields to quickly characterize the polymer material of the semiconductor package because the fast correspondence is normally required in industry. The weight changes in the aluminum-nonconductive-polymer joint due to moisture absorption were measured. The deformed system was also measured using the Moire Interferometry system and compared with the results of finite element analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

반도체 패키지에 사용되는 폴리머의 흡습특성은 생산시기에 따라 차이가 있을 수 있기 때문에 흡습해석을 할 때는 소재의 특성을 재평가해야 하는 번거로움이 있다. 따라서 기 개발된 수치해석 절차로 흡습질량을 계산하고, 실험적으로 측정된 흡습질량을 비교분석하여 최적의 용해도와 확산계수를 구하는 절차에 대해 서술하였다. 또한 흡습팽창으로 인한 변형을 빛의 간섭계로 측정하고 수치해석 결과와 비교하였다.
열전달 방정식과 흡습확산 방정식에 대한 상사성과 접합면의 흡습질량의 불연속성을 고려한 확산 방정식을 고찰하고, Ansys 유한 요소 해석 코드의 열확산 해석 절차를 적용하여 알루미늄-비전도성 폴리머 접합체의 흡습변화를 해석하고 실험적으로 측정하였다. 본 논문에서는 반도체 패키지 소재 폴리머에 대한 흡습특성인 용해도(solubility)와 확산계수(diffusivity)를 고찰하였다. 반도체 패키지에 사용되는 폴리머의 흡습특성은 생산시기에 따라 차이가 있을 수 있기 때문에 흡습해석을 할 때는 소재의 특성을 재평가해야 하는 번거로움이 있다.
폴리머패키지는 수분을 흡수할 수 있는 미세홀을 가지고 있고, 미세홀은 흡수된 수분의 증기압에 의해 미세크랙으로 발전되고, 궁극적으로 파손되는 것으로 볼 수 있다. 이러한 팝콘현상과 같은 파손을 먼저 이론적으로 고찰하고, 실험으로 확인하고자 한다.

제안 방법

ANSYS에 내제된 “swell"서브루틴으로부터 흡습질량에 의한 팽창을 계산하였다.
실험에 사용된 NCP는 참고문헌[11]과 동일제품이나 생산 시기는 5년 이상의 차이가 있고, 두 개의 시편의 흡습 특성은 같지 않은 것으로 볼 수 있다. 따라서 시뮬레이션으로 실험 결과와 근접한 흡습특성을 구하기 위해 수차례 해석을 실시하였다. Fig.
흡습 질량만 측정하고 시뮬레이션 프로그램으로부터 해석 결과를 활용하여 충분히 합리적인 NCP의 용해도와 확산계수를 구하였다. 또한 흡습변형을 모아레 간섭계로부터 측정하고 유한요소법에 의해 해석하였다. 생산 현장에서는 빠른 대응이 요구되는 만큼 본 논문에서 제시된 방법이나 절차는 현장에서 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
따라서 기 개발된 수치해석 절차로 흡습질량을 계산하고, 실험적으로 측정된 흡습질량을 비교분석하여 최적의 용해도와 확산계수를 구하는 절차에 대해 서술하였다. 또한 흡습팽창으로 인한 변형을 빛의 간섭계로 측정하고 수치해석 결과와 비교하였다.
반도체 패키지와 같은 작은 시편의 미세 변형은 빛의 간섭현상을 응용한 모아레 측정 방법이 일반적으로 적용되고 있다. 모아레 간섭 줄무늬로부터 변위를 측정하였고, 상용 유한요소 해석 코드로부터 흡습팽창에 의한 변형를 해석하고 비교하였다.
알루미늄-NCP 시편을 제작하여 소재의 흡습특성을 고찰하였다. 흡습현상에 대한 이론적 고찰과 수치 해석 절차는 수차례 선행 논문으로부터 검증되었다.
최근 Kim[11]은 용해도가 영인 실리콘 또는 금속과 유한 값의 용해도를 갖는 폴리머 접합체의 흡습해석에서 발생되는 수치적 오차에 대해 고찰을 하였다. 열전달 방정식과 흡습확산 방정식에 대한 상사성과 접합면의 흡습질량의 불연속성을 고려한 확산 방정식을 고찰하고, Ansys 유한 요소 해석 코드의 열확산 해석 절차를 적용하여 알루미늄-비전도성 폴리머 접합체의 흡습변화를 해석하고 실험적으로 측정하였다. 본 논문에서는 반도체 패키지 소재 폴리머에 대한 흡습특성인 용해도(solubility)와 확산계수(diffusivity)를 고찰하였다.
측정실의 온도는 24-25 ℃, 상대습도는 37-40%이다. 측정에 사용된 마이크로 바란스(Denver Instrument PI-225D)는 샘플의 부력에 의한 오차를 발생시킬 수 있을 정도로 정밀한 계측기이기 때문에 챔버에서 꺼낸 후 열전달이 잘 되는 물체에 접촉하여 가능한 신속히 상온에 이를 수 있도록 3-4분 정도 열을 방출시킨 후 3~4회 측정하여 평균값을 취하였다. Fig.
흡습 질량 측정을 위해 몰딩-절단-연삭 세 단계를 거쳐 시편을 제작하였다. 소재알루미늄 미소판에 액상의 NCP를 몰딩 금형에 넣고 200 ℃로 1 시간동안 가열한 후 상온에서 금형으로부터 분리하였다.
흡습현상에 대한 이론적 고찰과 수치 해석 절차는 수차례 선행 논문으로부터 검증되었다. 흡습 질량만 측정하고 시뮬레이션 프로그램으로부터 해석 결과를 활용하여 충분히 합리적인 NCP의 용해도와 확산계수를 구하였다. 또한 흡습변형을 모아레 간섭계로부터 측정하고 유한요소법에 의해 해석하였다.
초기 질량을 측정한 후 흡습챔버에 넣어서 증기를 시편이 흡수하도록 하였다. 흡습챔버를 24 ℃, 상대습도 85% 로 유지시키고, 시편을 일정시간 흡습시킨 후 흡습질량을 측정하였다. 측정실의 온도는 24-25 ℃, 상대습도는 37-40%이다.

대상 데이터

2와 같이 좌우 대칭으로 절단하여 시편을 제작하였다. 샌드 페이퍼 600으로 연삭하여 치수를 조정하고, 최종적으로 Table 1에서 제시한 치수의 시편을 제작하였다.
흡습에 의한 팽창 변형률은 식(6)으로 표현된다. 폴리머 복합체의 구조해석을 위해서 적용한 흡습팽창계수, 프와송 비, 탄성계수는 각각 0.28, 0.3, 3180 MPa 이다. Fig.
흡습질량 측정과 해석에 사용된 소재 시편은 Fig. 2에 표현된 구조를 가지고 있고 알루미늄과 패키지 소재인 비전도성 폴리머(nonconductive polymer)의 이종소재 구성되어 있다. 흡습질량을 측정하기 위해 먼저 대기 중에 보관된 시편은 수분을 가지고 있기 때문에 120 ℃, 0%RH(상대습도)로 72시간 동안 흡습챔버(ESPECSH-241)에 두어 수분을 제거하였다.

데이터처리

알루미늄-비전도성폴리머(NCP) 접합체의 흡습질량 확산 방정식은 식 (1)이고 ANSYS의 열전달 해석 절차에 따라 해석하고 그 결과를 분석하였다. 해석에 적용된 경계조건은 Fig.

성능/효과

3에서 보는 것처럼 확산계수는 큰 차이가 없으나 용해도는 큰 차이가 있음을 볼 수 있다. 따라서 본 시편에 사용된 NCP의 용해도와 확산계수는 수분 질량의 측정값을 여러 가지의 용해도와 확산계수에 의한 수치해석 결과와 비교해볼 때, 기존제품의 52배의 용해도와 0.6배의 확산계수로부터 계산된 질량의 변화가 가장 측정값에 근접한 결과를 보이고 있다. 본 시편의 용해도와 확산계수는 0.

후속연구

생산 현장에서는 빠른 대응이 요구되는 만큼 본 논문에서 제시된 방법이나 절차는 현장에서 활용될 수 있을 것으로 생각된다. 또한 용해도나 확산계수는 흡습변형을 수치적으로 해석하는데 활용될 수 있을 것으로 사료되고 궁극적으로 패키지의 신뢰성 해석에 활용될 수 있을 것이다. 또한 흡습해석 기술은 향후 폴리머패키지의 팝콘현상 모델링에 활용될 것이다.
또한 용해도나 확산계수는 흡습변형을 수치적으로 해석하는데 활용될 수 있을 것으로 사료되고 궁극적으로 패키지의 신뢰성 해석에 활용될 수 있을 것이다. 또한 흡습해석 기술은 향후 폴리머패키지의 팝콘현상 모델링에 활용될 것이다. 폴리머패키지는 수분을 흡수할 수 있는 미세홀을 가지고 있고, 미세홀은 흡수된 수분의 증기압에 의해 미세크랙으로 발전되고, 궁극적으로 파손되는 것으로 볼 수 있다.
또한 흡습변형을 모아레 간섭계로부터 측정하고 유한요소법에 의해 해석하였다. 생산 현장에서는 빠른 대응이 요구되는 만큼 본 논문에서 제시된 방법이나 절차는 현장에서 활용될 수 있을 것으로 생각된다. 또한 용해도나 확산계수는 흡습변형을 수치적으로 해석하는데 활용될 수 있을 것으로 사료되고 궁극적으로 패키지의 신뢰성 해석에 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자 패키지의 구성은?	증기가 폴리머 소재에 흡수되면 물 분자는 수소분자의 결합 길이를 확장시켜 소재를 팽창하게 함으로써 플라스틱 전자 패키지에서 팝콘 현상이나 이종 소재의 분리와 같은 파손을 일으키는 원인이 되는 것으로 알려져 있다[1]. 전자 패키지는 몰드 폴리머, 리드프레임, 그리고 실리콘칩, 등으로 구성되어 있고, 각 소재의 흡습팽창계수의 불일치로 인하여 팽창양이 동일하지 않기 때문에 이종 소재 접합층에서 연속조건을 만족시키기 위한 응력이 발생된다. 플라스틱 전자 패키지에서 온도 변화에 의한 열변형보다 수분에 의한 흡습변형이 더 큰 경우도 최근 연구에서 발표되었다[2].
	모아레 측정을 위해서 시편을 120 oC 오븐에서 72시간 동안 탈습시켜야 하는 이유는?	4의 시편은 baking-replication-separation 세 단계를 거쳐 측정하고자 하는 시편의 단면에 격자를 형성해야 한다. 먼저 준비된 흡습된 상태이기 때문에 120 oC 오븐에서 72시간 동안 탈습시킨다. mm당 1200개의 격자가 형성된 격자판에 F114 에폭시를 도포한 후 시편을 올려놓고 데시케이터에 보관하여, 24시간 경과 후 격자판과 시편을 분리시키면 격자판에 있는 격자가 측정하고자 하는 시편의 단면에 복제된다.
	전자 패키지에서 응력이 발생되는 이유는?	증기가 폴리머 소재에 흡수되면 물 분자는 수소분자의 결합 길이를 확장시켜 소재를 팽창하게 함으로써 플라스틱 전자 패키지에서 팝콘 현상이나 이종 소재의 분리와 같은 파손을 일으키는 원인이 되는 것으로 알려져 있다[1]. 전자 패키지는 몰드 폴리머, 리드프레임, 그리고 실리콘칩, 등으로 구성되어 있고, 각 소재의 흡습팽창계수의 불일치로 인하여 팽창양이 동일하지 않기 때문에 이종 소재 접합층에서 연속조건을 만족시키기 위한 응력이 발생된다. 플라스틱 전자 패키지에서 온도 변화에 의한 열변형보다 수분에 의한 흡습변형이 더 큰 경우도 최근 연구에서 발표되었다[2].

참고문헌 (11)

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상세보기
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K. Kim, T. Kim, M. Yoo, and H. Yoo, "Mechanical Tenacity Analysis of Moisture Barrier Bags for Semiconductor Packages," J. Microelectron. Packag. Soc., 11(1), p. 43, 2004
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상세보기
H. Wong, R. Rajoo, S. W. Koh and T. B. Lim, "The Mechanics and Impact of Hygroscopic Swelling of Polymeric Materials in Electronic Packaging," Journal of Electronic Packaging, 124(2), p. 122, 2002. DOI: http://dx.doi.org/10.1115/1.1461367

상세보기
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S. Yoon, B. Han and Z. Wang, "On Moisture Diffusion Modeling using Thermal-Moisture analogy, Journal of Electronic Packaging," 129, 421, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1115/1.2804090

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상세보기
S. Yoon, C. Jang, and B. Han, "Nonlinear Stress Modeling Scheme to Analyze Semiconductor Packages Subjected to Combined Thermal and Hygroscopic Loading," Journal of Electronic Packaging," 130, 024502-1, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1115/1.2912181

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Yongyun Kim, "A study of Hygroscopic Moisture Diffusion Analysis in Multimaterial System," Journal of the Microelectronics & Packaging Society, 18(2), p.11-15, 2011

저자의 다른 논문 :

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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