본 논문에서는 HDI(High Density Interconnection) 기판의 코어로 사용될 수 있는 카본 CCL(Copper Claded Layer)의 열거동 및 신뢰성 특성을 실험과 CAE를 이용한 수치해석을 통해 평가하였다. 카본 CCL의 특성평가를 위해 기존 FR-4 코어와 heavy cu 코어와 비교하였다. 연구결과에 의하면 pitch계열 카본코어가 적용된 PCB의 휨강도가 가장 높고 온도에 따른 변형량이 가장 낮았다. 또한, HDI 신뢰성평가 기준의 TC(Thermal Cycling), LLTS(Liquid-to-Liquid Thermal Shock), Humidity 실험을 통해 카본코어가 적용된 PCB는 신뢰성이 확보되었음을 확인하였다. 카본 파이버에 의한 불균일한 비아홀의 표면형상 여부와 드릴비트 마모 가능성을 분석하였는데 비아홀의 표면은 균일하고, 드릴비트의 표면도 매끄러워 카본 CCL의 우수한 드릴가공성도 확인하였다.
본 논문에서는 HDI(High Density Interconnection) 기판의 코어로 사용될 수 있는 카본 CCL(Copper Claded Layer)의 열거동 및 신뢰성 특성을 실험과 CAE를 이용한 수치해석을 통해 평가하였다. 카본 CCL의 특성평가를 위해 기존 FR-4 코어와 heavy cu 코어와 비교하였다. 연구결과에 의하면 pitch계열 카본코어가 적용된 PCB의 휨강도가 가장 높고 온도에 따른 변형량이 가장 낮았다. 또한, HDI 신뢰성평가 기준의 TC(Thermal Cycling), LLTS(Liquid-to-Liquid Thermal Shock), Humidity 실험을 통해 카본코어가 적용된 PCB는 신뢰성이 확보되었음을 확인하였다. 카본 파이버에 의한 불균일한 비아홀의 표면형상 여부와 드릴비트 마모 가능성을 분석하였는데 비아홀의 표면은 균일하고, 드릴비트의 표면도 매끄러워 카본 CCL의 우수한 드릴가공성도 확인하였다.
In this paper, the Thermal behavior and reliability characteristics of carbon CCL (Copper Claded Layer), which can be used as the core of HDI (High Density Interconnection) PCB (Printed Circuit Board) are evaluated through experiments and numerical analysis using CAE (Computer Aided Engineering) sof...
In this paper, the Thermal behavior and reliability characteristics of carbon CCL (Copper Claded Layer), which can be used as the core of HDI (High Density Interconnection) PCB (Printed Circuit Board) are evaluated through experiments and numerical analysis using CAE (Computer Aided Engineering) software. For the characterization of the carbon CCL, it is compared with the conventional FR-4 core and Heavy Cu core. From research results, the deformation amount of the flexure strength of PCB is the highest with pitch grade carbon and thermal behavior of PCB is lowest as temperature increases. In addition, TC (Thermal Cycling), LLTS (Liquid-to-Liquid Thermal Shock) and Humidity tests have been applied in the PCB with carbon core and the reliability of PCB with carbon core is confirmed through reliability tests. Also, possibility of uneven surface of the via hole and wear of the drill bit due to the carbon fibers are analyzed. surface of the via hole is uniform, the surface of the drill bit is smooth. Therefore, it is proved that the carbon CCL has the drilling workability of the same level as conventional core material.
In this paper, the Thermal behavior and reliability characteristics of carbon CCL (Copper Claded Layer), which can be used as the core of HDI (High Density Interconnection) PCB (Printed Circuit Board) are evaluated through experiments and numerical analysis using CAE (Computer Aided Engineering) software. For the characterization of the carbon CCL, it is compared with the conventional FR-4 core and Heavy Cu core. From research results, the deformation amount of the flexure strength of PCB is the highest with pitch grade carbon and thermal behavior of PCB is lowest as temperature increases. In addition, TC (Thermal Cycling), LLTS (Liquid-to-Liquid Thermal Shock) and Humidity tests have been applied in the PCB with carbon core and the reliability of PCB with carbon core is confirmed through reliability tests. Also, possibility of uneven surface of the via hole and wear of the drill bit due to the carbon fibers are analyzed. surface of the via hole is uniform, the surface of the drill bit is smooth. Therefore, it is proved that the carbon CCL has the drilling workability of the same level as conventional core material.
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문제 정의
즉, 제조과정에 PCB에 가해지는 외부 열에 의해 발생하는 것이다. 따라서 본 논문에서는 코어종류에 따른 PCB의 온도변화에 따라 열변형 영향을 분석하기 위해 열챔버가 부착된 인장시험기로 열변형을 측정하였다. 실험은 정하중 50 kgf이 시편에 인장력을 가해질 때 분위기 온도를 상온에서 최대 200℃까지 증가시키면서 시편의 변형량을 측정하는 방식으로 각 시편당 3차례 수행되었다.
따라서, 본 논문에서는 카본 CCL이 적용된 PCB의 열거동 특성 연구를 위해 강성도와 온도변화에 따른 열변형을 평가하였고 열충격 실험 등 신뢰성 평가를 수행하였으며, PCB의 FEM 수치해석을 통해 카본 CCL이 적용된 PCB의 warpage를 해석함으로써 연구결과의 신뢰성을 확보하였다. 끝으로 카본 CCL의 홀가공성과 드릴비트의 마모를 분석하여 홀가공성을 평가하였다.
본 논문에서는 HDI 기판의 코어로 사용될 수 있는 카본 CCL의 열거동 및 신뢰성 특성을 실험과 CAE를 이용한 수치해석을 통해 평가하였다. 카본 CCL의 특성평가를 위해 기존 FR-4 코어와 heavy cu 코어와 비교하였다.
본 논문에서는 카본코어가 적용된 PCB의 열적 신뢰성 분석을 위해 TC, LLTS, humidity 평가를 수행하였다. TC와 LLTS 평가는 ESPEC사의 열충격 챔버(모델명 : TSA71H-W)를 이용하였고, 평가 온도조건은 Fig.
코어 재료의 PCB warpage에 대한 영향을 분석하기 위해 본 논문에서는 유한요소법을 이용한 수치해석을 수행하였다. Fig.
제안 방법
따라서, 본 논문에서는 카본 CCL이 적용된 PCB의 열거동 특성 연구를 위해 강성도와 온도변화에 따른 열변형을 평가하였고 열충격 실험 등 신뢰성 평가를 수행하였으며, PCB의 FEM 수치해석을 통해 카본 CCL이 적용된 PCB의 warpage를 해석함으로써 연구결과의 신뢰성을 확보하였다. 끝으로 카본 CCL의 홀가공성과 드릴비트의 마모를 분석하여 홀가공성을 평가하였다. 이와 같은 연구는 고신뢰성 PCB 개발을 위한 카본 CCL의 적용 가능성을 판단하는 실증적인 데이터를 제공하는 의미가 있다.
카본코어의 PCB 공정능력 평가를 위해 CNC드릴공정 후 홀의 형상과 드릴비트의 마모를 각각 전자현미경과 광학현미경으로 관찰하였다. 드릴비트의 마모는 0.3 mm 직경의 비트 5개를 사용하여 2,000회의 카본코어에 홀을 가공한 후 표면형상을 관찰하였다. Fig.
7(a), (b)와 같이 HDI평가기준에 따라 각각 100회와 300회 평가를 수행하였다. 또한, 85℃, 85% 조건에서 48시간 humidity 평가 후 reflow 5회 평가를 진행하였다. reflow 평가조건의 최고온도는 200℃이고, 1회 사이클 시간은 300초이다.
9는 유한요소 모델을 보여주고 있다. 수치해석을 위해 PCB의 중심부는 rigid-motion 억제를 위해 고정되었고, 온도가 초기 150℃에서 20℃로 감온된 후 PCB에서 발생한 두께방향 변형량을 warpage로 분석하였다.
따라서 본 논문에서는 코어종류에 따른 PCB의 온도변화에 따라 열변형 영향을 분석하기 위해 열챔버가 부착된 인장시험기로 열변형을 측정하였다. 실험은 정하중 50 kgf이 시편에 인장력을 가해질 때 분위기 온도를 상온에서 최대 200℃까지 증가시키면서 시편의 변형량을 측정하는 방식으로 각 시편당 3차례 수행되었다.
이와 같은 열적 신뢰성 평가는 Fig. 8과 같이 각각 4개의 시료를 대상으로 PCB의 앞면(measurement 1)과 앞뒤면(measurement 2)의 전기저항을 신뢰성 평가 전·후 측정하였다.
본 논문에서는 HDI 기판의 코어로 사용될 수 있는 카본 CCL의 열거동 및 신뢰성 특성을 실험과 CAE를 이용한 수치해석을 통해 평가하였다. 카본 CCL의 특성평가를 위해 기존 FR-4 코어와 heavy cu 코어와 비교하였다. 열거동 특성은 실험과 PCB의 warpage 해석결과를 비교하여 실험과 해석결과의 경향성이 일치한다는 것을 확인하였다.
카본코어의 PCB 공정능력 평가를 위해 CNC드릴공정 후 홀의 형상과 드릴비트의 마모를 각각 전자현미경과 광학현미경으로 관찰하였다. 드릴비트의 마모는 0.
또한, HDI 신뢰성평가 기준의 TC, LLTS, humidity 실험을 통해 카본코어가 적용된 PCB는 신뢰성이 확보되었음을 알 수 있다. 카본파이버에 의한 불균일한 비아홀의 표면형상 여부와 드릴비트 마모를 분석하였는데 비아홀의 표면은 균일하였고, 드릴비트의 표면도 매끄러웠다. 이와 같은 결과로부터 카본 CCL도 기존 코어소재와 동등한 수준의 드릴가공성을 확보할 수 있다고 판단된다.
회로층의 물성은 단순 복합체(Simple rule of mixture)을 적용하고 회로층의 잔동율을 고려하여 유닛과 더미영역을 구분하여 계산하였다. 잔동율은 동일한 회로층 면적에 회로형성을 위한 구리가 차지하는 면적비율을 의미한다.
대상 데이터
잔동율은 동일한 회로층 면적에 회로형성을 위한 구리가 차지하는 면적비율을 의미한다. 본 논문에서는 유한요소 해석을 위해 범용 프로그램인 MSC/Software사의 MSC/MARC2014 소프트웨어를 사용하였다.16)
의 속도로 Instron 5986 재료시험기를 사용하였고 실험용 시편의 크기는 12.7 mm×50.8 mm이며 각 시편당 4회의 실험을 반복하였다.
성능/효과
최근 방열 PCB의 수요가 증가하면서 heavy cu, aluminum, invar, nikel 등과 같은 금속코어를 적용하는 연구와 관련 제품 양산이 이루어지고 있지만, 금속종류에 따라 추가공정이 필요하거나, 홀가공성이 떨어지는 등 양산성에 문제가 있다. 따라서 카본 CCL의 우수한 휨강도와 낮은 열변형성, 신뢰성확보, 우수한 홀가공성과 낮은 드릴비트의 마모 등을 고려할 때 카본코어는 FR-4 코어 뿐만 아니라 금속코어의 대체재가 될 가능성이 충분하다는 할 수 있다. 그러나 실제 카본코어가 적용된 PCB를 상품화하기 위해서는 상대적으로 높은 카본 CCL의 제조원가를 낮추거나, 네트워크 보드와 같은 고사양 PCB에 적용하는 것을 검토할 필요가 있다.
5는 온도제어가 가능한 인장시험기에서 온도변화에 따른 PCB시편의 변형량을 측정한 결과이다. 실험결과에 따르면 온도가 최대 200℃일때 pitch 계열 카본코어가 적용된 PCB에서 약 2.8 mm의 변위량으로 가장 작은 변형량이 발생하였고, FR-4 코어를 적용한 PCB에서 약 3.5 mm의 변위량으로 가장 큰 변형량 발생하였다. Pan 계열 카본 코어와 heavy cu 코어를 적용한 PCB에서는 각각 약 3 mm와 약 3.
5 mm 굴곡변위 시 굴곡하중과 굴곡강도를 보여주고 있다. 실험결과에 의하면 pitch 계열 카본 코어를 적용한 PCB에서 최대 굴곡강도와 1.5 mm 굴곡변위 시 굴곡강도가 가장 크게 발생하였고, pan 계열 카본 코어를 적용한 PCB는 최대 굴곡하중과 1.5 mm 굴곡변위 시 하중이 가장 크게 발생하였다. 반면 FR-4와 heavy cu 코어를 적용한 PCB는 카본 코어에 비해 하중과 강도가 낮게 발생하였다.
연구결과에 의하면 카본코어가 적용된 PCB의 휨강도가 가장 높고 온도에 따른 변형량이 가장 낮았는데 카본 종류는 Pan계열보다는 pitch계열이 우수하였다. warpage 시뮬레이션의 결과도 pitch계열의 카본코어가 적용된 PCB의 warpage가 가장 낮았다.
카본 CCL의 특성평가를 위해 기존 FR-4 코어와 heavy cu 코어와 비교하였다. 열거동 특성은 실험과 PCB의 warpage 해석결과를 비교하여 실험과 해석결과의 경향성이 일치한다는 것을 확인하였다.
09 mm이다. 이와 같은 결과로부터 pitch 계열 카본코어를 적용한 PCB에서 가장 작은 warpage가 발생하였고 heavy cu 코어를 적용한 PCB에서 다음으로 작은 warpage가 발생하였다. 그러나, 카본코어와 heavy cu의 두께가 각각 0.
12는 드릴비트의 마모 평가를 위해 드릴비트의 A, B 위치에서 표면형상을 관찰한 결과로써 표면이 매우 매끄러우며 스크래치가 관찰되지 않았다. 이와 같은 결과로부터 카본코어가 드릴비트의 마모에 미치는 영향은 기존 PCB 코어소재와 동등 수준이고, 금속코어보다 우수하다고 판단된다.
2 mm의 변위량이 발생하였다. 이와 같은 결과로부터 카본코어를 적용한 PCB가 FR-4와 heavy cu 코어를 적용한 PCB에 비해 온도에 따른 열변형이 작다는 것을 알 수 있다.
측정 결과의 의하면 TC 100사이클 전·후의 전기저항은 0.1Ω~0.2Ω과 0.1Ω~0.9Ω이고, LLTC 300사이클 전·후 전기저항은 0.1~0.2Ω과 0.1Ω~0.7Ω이며, humidity와 reflow 5회 전·후 전기저항은 0.1Ω~0.2Ω과 0.1Ω~0.5Ω으로 측정되었고, 외관상 이상이 없었기 때문에 카본코어가 적용된 PCB는 열적 신뢰성이 확보되었다고 판단된다.
10은 150℃에서 20℃로 감온될 때 발생한 PCB의 warpage 분포를 나타낸 결과이다. 해석결과에 의하면 Pan 계열 카본코어와 Pitch 계열 카본코어를 적용한 PCB에서 최대 warpage는 각각 0.1 mm와 0.08 mm이고 FR-4 코어와 Heavy Cu 코어를 적용한 PCB에서 발생한 warpage는 각각 0.12 mm와 0.09 mm이다. 이와 같은 결과로부터 pitch 계열 카본코어를 적용한 PCB에서 가장 작은 warpage가 발생하였고 heavy cu 코어를 적용한 PCB에서 다음으로 작은 warpage가 발생하였다.
후속연구
굴곡강성도는 두께의 3승에 비례하기 때문에 두께는 동일한 상태로 평가하는 것이 바람직하지만 제조편차로 인한 두께오차는 불가피하다. 그러나 정량적인 분석을 위해 향후에는 글라인딩 후공정을 통해 시편의 두께를 동일하게 제조하여 평가할 필요성이 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
박판 PCB에서 두께를 줄이면 발생하는 문제점은?
박판 PCB를 구현하기 위해서는 CCL의 코어, 절연재,회로층의 두께를 줄이는 것이 필요하지만 PCB 두께의 감소와 반비례하게 휨 불량이 증가하는 단점이 있다. 이와 같은 PCB의 warpage 증가는 via hole 크랙, 솔더조인트의 크랙과 미결합 등 PCB 내부의 신뢰성 불량 뿐만 아니라 PCB와 패키지 어셈블리 공정 불량 등 많은 신뢰성 이슈의 원인이 되고 있다.
박판 PCB를 구현하기 위해 무엇이 필요한가?
박판 PCB를 구현하기 위해서는 CCL의 코어, 절연재,회로층의 두께를 줄이는 것이 필요하지만 PCB 두께의 감소와 반비례하게 휨 불량이 증가하는 단점이 있다. 이와 같은 PCB의 warpage 증가는 via hole 크랙, 솔더조인트의 크랙과 미결합 등 PCB 내부의 신뢰성 불량 뿐만 아니라 PCB와 패키지 어셈블리 공정 불량 등 많은 신뢰성 이슈의 원인이 되고 있다.
PCB의 휨 불량이 증가하면 발생하는 문제점은?
박판 PCB를 구현하기 위해서는 CCL의 코어, 절연재,회로층의 두께를 줄이는 것이 필요하지만 PCB 두께의 감소와 반비례하게 휨 불량이 증가하는 단점이 있다. 이와 같은 PCB의 warpage 증가는 via hole 크랙, 솔더조인트의 크랙과 미결합 등 PCB 내부의 신뢰성 불량 뿐만 아니라 PCB와 패키지 어셈블리 공정 불량 등 많은 신뢰성 이슈의 원인이 되고 있다.1-3) 따라서 PCB의 휨을 감소시키기 위한 기술개발이 학계와 산업계에서 강성이 높고 열팽창이 작은 소재개발, PCB디자인 변경 등 지속적으로 진행되고 있으며,4-6) 수치해석과 실험계획법을 이용한 연구개발도 활발히 적용되고 있다.
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