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패키지 기판의 Warpage 해석을 위한 열팽창계수의 측정 및 평가
Measurement and Evaluation of Thermal Expansion Coefficient for Warpage Analysis of Package Substrate 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.10, 2014년, pp.1049 - 1056  

양희걸 (충북대학교 기계공학부) ,  주진원 (충북대학교 기계공학부)

초록
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전자 부품을 이루고 있는 재료들은 여러 다른 열팽창계수를 가지고 있다. 새롭게 개발된 재료나 적용하려는 온도범위가 다른 경우에는 실제 제품을 구성하고 있는 그 재료 자체의 열팽창계수를 측정할 필요가 있으며 이에 대한 신뢰성 있는 측정방법이 필요하다. 재료의 온도가 변화하면, 그에 부착된 스트레인 게이지 저항체의 출력은 기계적인 하중뿐 아니라 온도변화에 의해서도 복합적으로 발생한다. 본 논문에서는 이러한 스트레인 게이지의 특성을 이용하여 온도가 증가함에 따라 변하는 변형률을 측정하고 이로부터 재료의 열팽창계수를 구하는 방법을 실험적으로 제시하였다. 실험의 신뢰성을 검증하기 위해서 일반적으로 열팽창계수가 잘 알려진 탄소강, 알루미늄 및 구리시편을 사용해서 열팽창계수를 측정하고 그 결과를 비교하여 열팽창계수 측정방법의 신뢰성을 평가하였다. 또한 이 방법을 전자 패키지를 구성하고 있는 새로운 전자재료에 적용하여 무섬유 패키지 기판의 온도에 따른 열팽창계수를 측정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Microelectronics components contain various materials with different coefficients of thermal expansion (CTE). Although a large amount of published data on the CTE of standard materials is available, it occasionally becomes necessary to measure this property for a specific actual material over a part...

주제어

#스트레인 게이지   #열팽창계수   #열적 변형률   #패키지 기판  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 스트레인 게이지 저항체의 저항변화는 기계적인 하중뿐 아니라 온도변화에 의해서도 복합적으로 발생한다. (6,7) 본 논문에서는 이러한 스트레인 게이지의 특성을 이용하여 온도가 증가함에 따라 변하는 변형률을 측정하고 이로부터 재료의 열팽창계수를 구하는 방법을 실험적으로 제시하였다. 실험의 신뢰성을 검증하기 위해서 일반적으로 열팽창계수가 잘 알려진 탄소강, 알루미늄 및 구리시편을 사용해서 열팽창계수를 측정하고 그 결과를 비교하여 열팽창계수 측정방법의 신뢰성을 평가하였다.
  • 본 논문에서는 스트레인 게이지의 온도특성을 이용하여 임의 재료의 열팽창계수를 실험적으로 구하는 방법을 제안하였다. 제안한 방법의 신뢰성을 검증하기 위해서 탄소강과 알루미늄 및 구리 시편을 대상으로 열팽창계수를 측정하여 상호 비교하였고, 이 방법을 무섬유 패키지 기판의 열팽창계수 측정에 적용한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 식 (9)를 이용하여 어떤 재료의 열팽창계수를 구하려면, 열팽창계수를 알고 있는 다른 재료에도 같은 스트레인 게이지를 부착하고 온도변화에 따른 변형률의 차이를 구하면 된다. 본 논문에서는 열팽창계수를 알고 있는 탄소강 시편과 알루미늄 시편을 상호 기준시편으로 하여 열팽창계수를 구함으로써 본 논문에서 제안한 열팽창계수 결정방법의 신뢰성을 평가하였다.
  • 본 논문에서는 측정방법의 신뢰성을 평가하기 위하여 일반적으로 열팽창계수가 잘 알려져 있는 탄소강과 알루미늄 시편의 열팽창계수를 상호 측정하였다. 실험에 사용한 스트레인 게이지는 자체보상 게이지인 MM(Micro-Measurements)사의 탄소강용 스트레인게이지인 CEA-06-062UW-350과 알루미늄용 스트레인 게이지인 CEA-13-062UW350이다.
  • 본 논문의 방법을 이용하여 좀 더 실제적인 조건에서의 열팽창계수를 구하기 위하여 또 다른 재료인 구리 시편의 열팽창계수를 측정하였다. 실험에 사용된 시편은 구리 C1100이었고, 3.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스트레인 게이지란? 스트레인 게이지는 하중을 받고 있는 재료의 변형률을 저항변화로 감지하여 측정하는 센서이다. 스트레인 게이지 저항체의 저항변화는 기계적인 하중뿐 아니라 온도변화에 의해서도 복합적으로 발생한다.
스트레인 게이지가 가지고 있는 성질은? 스트레인 게이지는 일종의 금속 저항체로 재료에 변형률이 발생하게 되면 재료에 부착된 스트레인 게이지 저항체의 길이가 변화하고 이에 따라 저항값이 변하는 성질을 가지고 있다. 저항변화율 ΔR/R과 축방향 변형률 # 사이의 관계는 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
열팽창계수를 측정하기 위해서 현재 사용되는 dilatometer 방법, 무아레 간섭계를 비롯한 몇 가지 광학적인 방법이 가지고 있는 문제점은? 열팽창계수를 측정하기 위해서 현재 dilatometer 방법(1~3)과 무아레 간섭계를 비롯한 몇 가지 광학적인 방법(4,5)이 이용되고 있다. 각각의 측정 방법은 소재의 특성에 따라 장단점을 가지고 있으며, 경우에 따라서는 시편의 준비에 제한이 있어 측정이 불가능한 경우도 많다. 또한 반도체 패키지와 같은 비금속 제품이 제조될 때에는 조건에 따라 재료의 물성치가 변화할 수도 있고, 화학적 조성비나 제조공정에 따라 같은 재료라도 열팽창계수가 상당히 차이날 수도 있다.
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참고문헌 (8)

  1. Neumeier, J. J., Bollinger, R. K., Timmins, G. E., Lane, C. R., Krogstad, R. D. and Macaluso, J., 2008, "Capacitive-Based Dilatometer Cell Constructed of Fused Quartz for Measuring the Thermal Expansion of Solids," Review of Scientific Instruments 79, 033903. 

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  2. Paganelli, M., 2004, The Non-Contact Optical Dilatometer Designed for The Behaviour of Ceramic Raw Materials, Expert System Solutions S.r.l. Tech. Note. 

  3. Han, B., Wu, Z. and Cho, S., 2001, Measurement of Thermal Expansion Coefficient of Flexible Substrate by Moire Interferometry," Experimental Techniques, Vol. 25, Issue 3, pp. 22-25. 

    상세보기 crossref

  4. Lee, B. H., Kim, M. K. and Joo, J. W., 2010, "Thermo-Mechanical Behavior of WB-PBGA Packages with Pb-Sn Solder and Lead-free Solder Using Moire Interferometry," J. Microelectron. Packag., Soc., Vol. 17, No. 3, pp. 17-26. 

  5. Vishay Precision Group, 2010, "Strain Gage Thermal Output and Gage Factor Variation with Temperature," Strain Gages Technical Data, Tech Note TN-504-1, pp. 35-47. 

  6. Joo, J. W. and Kim, G. S., 1992, "The Apparent Strains of Strain Gages in Cryogenic Environment," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 16, No. 6, pp. 1099-1107. 

  7. Vishay Precision Group, 2010, "Measurement of Thermal Expansion Coefficient Using Strain Gages," Strain Gages Technical Data, Tech Note TN-513-1, pp. 119-129. 

  8. Shape, W. N. Jr., 2008, Handbook of Experimental Solid Mechanics, Springer, New York, pp. 283-325. 

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