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반도체 산업의 정밀리드프레임에 대한 프레스 및 금형 변형 예측
Press and Die Deformation for a Precise Semiconductor Lead Frame 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.23 no.4, 2014년, pp.206 - 210  

홍석무 (삼성전자 글로벌기술센터) ,  윤여환 (삼성전자 글로벌기술센터) ,  엄성욱 (삼성전자 글로벌기술센터) ,  황지훈 (삼성전자 글로벌기술센터) ,  이동욱 (삼성테크윈 MMS 메탈팀)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The metal lead frame, a semiconductor component, has product tolerances in micro units as compared to products made with a larger size mold. Therefore, small deflections of the mold and of the press as well as the press molding process itself have a strong influence on accuracy of the product. Hence...

주제어

#Progressive Die   #Press/Die Structure   #FEM   #DIC   #Sheet Metal Forming  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 이 결과는 프레스와 금형 전체 유한요소해석 모델링(FEM)의 검증자료로 활용되었다. 각 금형의 구성 요소와 부품들은 Multi Point Constraint(MPC) 조건으로 체결되었고, 접촉 및 슬라이딩 조건을 부여 함으로써 실제 거동을 현실적으로 모사했다.
  • 고속 프레스 장비 사용시 스피드가 높아질 수록 생산성이 향상되는 반면, 타발 시 금형 정밀도, 진동 및 마모 등의 복합적인 원인으로 타발 위치가 부정확하여 리드 프레임의 전단이 고르지 않게 되는 문제점이 종종 발생한다. 따라서 순차 이송 금형 방식을 적용한 프레스 장비와 금형 구조가 전단 부품의 제조에 미치는 영향을 살펴보기 위해서 금형과 프레스 일부 부분을 유한 요소 모델링하고 해석을 수행했다. 프레스의 크기는 수 미터이며, 금형의 폭이 3m에 이르는 대형 구조물과 수십 마이크로 단위 제품을 생산하는 전단 금형의 전체 모델링은 시간적 효율성과 해석기법을 고려했을 때 어렵다고 판단되므로, 펀치에 의해 전단되는 부분의 해석 등은 제외하고 실제 측정에 의해서 얻어진 반력을 분산하중으로 해석 모델에 적용하였다.
  • 본 연구에서는 고속 순차 이송 금형 프레스의 타발 순간 금형의 변형을 구조 정적 해석을 통해 예측하고 DIC 기법을 활용한 측정 결과와 비교하였다. CAE 해석 결과와 DIC 동적 변형 측정 결과의 변형 양상은 양호한 일치를 보인다.

대상 데이터

  • 본 연구에서 다룬 프레스 장비는 용량 80 Ton, 가동 속도 300SPM(Speed per minute)의 고속 프레스이다. 고속 프레스 장비 사용시 스피드가 높아질 수록 생산성이 향상되는 반면, 타발 시 금형 정밀도, 진동 및 마모 등의 복합적인 원인으로 타발 위치가 부정확하여 리드 프레임의 전단이 고르지 않게 되는 문제점이 종종 발생한다.
  • DIC 기법을 통해 복잡하고 빠르게 움직이는 프레스 내에서 성형공정 프로세스의 순차적 측정이 가능하고 비 접촉 방식으로 변형을 측정할 수 있으며, 또한 고속카메라(1200cut/s)를 이용하여 타발 시 실제 금형의 흔들림을 정량적으로 분석할 수 있다. 이 결과는 프레스와 금형 전체 유한요소해석 모델링(FEM)의 검증자료로 활용되었다. 각 금형의 구성 요소와 부품들은 Multi Point Constraint(MPC) 조건으로 체결되었고, 접촉 및 슬라이딩 조건을 부여 함으로써 실제 거동을 현실적으로 모사했다.
  • 해석 모델에 총 세 가지 금속 재료가 사용되었는데, Holder(2,13)는 SMC45, Insert(10,11)는 KD20, 전단되는 블랭크 소재는 Copper, 그 외의 파트는 STD11이 사용되었다. 그에 대한 기계적 물성치는 Table 1과 같다.

이론/모형

  • 본 연구에서는 고속 순차 이송 금형 방식의 프레스 타발 순간을 DIC(Digital Image Correlation)기법으로 측정하였다. DIC 기법을 통해 복잡하고 빠르게 움직이는 프레스 내에서 성형공정 프로세스의 순차적 측정이 가능하고 비 접촉 방식으로 변형을 측정할 수 있으며, 또한 고속카메라(1200cut/s)를 이용하여 타발 시 실제 금형의 흔들림을 정량적으로 분석할 수 있다.
  • 4에 나타내었다. 유한 요소 해석은 ABAQUS/CAE 프로그램 Static, General 모드를 사용하였다[8].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
메탈리드프레임이란? 프레스로 성형되는 제품은 점점 작아지고 정밀도가 높아지고 있는 추세이다. 그 대표적인 예로 메탈리드프레임(Metal Lead Frame)을 들 수 있는데, 메탈리드프레임이란 반도체 칩과 회로기판을 전기적으로 연결시켜주는 동시에 열 발산의 경로 역할을 해주는 부품으로 현재 메모리, CPU, 그래픽, ASIC 등 대부분의 반도체 제품에 사용된다(Fig. 1)[1].
금형 간극 변화를 최소화하기 위해 어떤 방법을 사용하는가? Aitharaju 등은 유한요소해석을 이용한 다이 구조해석기법을 정립하고, 이를 활용한 차체 성형용 금형의 구조를 개선 설계했다[5]. Lee 등은 프레스/금형 연계해석 모델과 블랭크 두께 변화를 구조해석 모델에 반영하는 새로운 방법을 제안하고, 금형 간극 변화를 최소화하기 위한 밸런스 블록의 위치 및 높이 최적화를 수행했다[6]. Keum 등은 프레스와 금형의 변형을 고려한 구조해석을 통해 판재성형해석 시 스프링백 현상을 모사하는 등 해석 정밀도 향상시켰다[7].
유한요소법을 활용한 전단 공정의 단점은? 현재까지 리드프레임 성형공정에 관한 연구는 펀치의 좌굴에 대한 보강설계[1], 피어싱 공정의 클리어런스 영향[2], 홀더력과 스트리퍼 형상이 최종 리드형상에 미치는 영향[3] 등의 유한요소법을 활용한 전단 공정의 연구가 주를 이루었다. 이들은 공정 조건에 따른 소재의 변형에만 초점을 맞추어 금형을 강체(rigid body)로 가정했는데, 이러한 FEM을 활용한 단품 구조해석으로는 금형의 미세변형이나 파손 등의 요인을 예측하기 힘들다.
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참고문헌 (9)

  1. I. S. Lee, D. C. Ko, B. M. Kim, 2005, Proc. Kor. Soc. Prec. Eng., Autumn Conf., Kor. Soc. Prec. Eng., Seoul, Korea, pp. 1014-1017. 

  2. H. S. Kim, H. A. Lee, WH. J. Kim, H. P. Kim, Y. J. Kim, 2006, Proc. Kor. Soc. Prec. Eng., Autumn Conf., Kor. Soc. Prec. Eng., Seoul, Korea, pp. 237-238. 

  3. S. K. Cheon, C. H. Han, 1999, Proc. Kor. Soc. Prec. Eng., Autumn Conf., Kor. Soc. Prec. Eng., Seoul, Korea, pp. 1027-1030. 

  4. J. J. Yin, Y. S. Shin, H. Y. Kim, 2001, Analysis on the Bending Deflection of the Blank Holder in Automotive Body Panel Draw Die, Trans. of the Kor. Soc. of Machine Tool Engineers, Vol. 10, No. 3, pp. 68-74. 

  5. V. Aitharaju, M. Liu, J. Dong, J. Zhang, C. Wang, 2005, Integrated Forming Simulations and Die Structural Analysis for Optimal Die Designs, Numisheet 2005, Vol. A, pp. 96-100. 

  6. H. S. Lee, J. J. Yin, S. W. Chae, 2006, Proc. Kor. Soc. Automot. Eng. Spring Conf. Vol. 6, Kor. Soc. Automot. Eng., Seoul, Korea, pp. 2039-2044. 

  7. Y. T. Keum, I. H. Ahn, M. H. Song, S. O. Kwon, J. S. Park, 2005, Simulation of Stamping Process of Automotive Panel Considering Die Deformation, Numisheet 2005, Vol. A, pp. 90-95. 

  8. ABAQUS User's Manual, Ver. 6.10, Dassault Systemes Simulia Corp., Province, RI, USA. 

  9. GOM User's Manual, GmbH, Germany. 

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