[논문]플립칩의 설계변수 변화에 따른 보드레벨 플립칩에서의 낙하충격 수명예측

이수진; 김성걸

doi:10.7735/ksmte.2015.24.1.117

플립칩의 설계변수 변화에 따른 보드레벨 플립칩에서의 낙하충격 수명예측
Prediction of the Impact Lifetime for Board-Leveled Flip Chips by Changing the Design Parameters of the Solder Balls 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.24 no.1, 2015년, pp.117 - 123

이수진 (Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , 김성걸 (Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

The need for drop simulations for board-leveled flip chips in micro-system packaging has been increasing. There have been many studies on flip chips with various solder ball compositions. However, studies on flip chips with Sn-1.0Ag-0.5Cu and Sn-3.0Ag-0.5Cu have rarely been attempted because of the unknown material properties. According to recent studies, drop simulations with these solder ball compositions have proven feasible. In this study, predictions of the impact lifetime by drop simulations are performed considering Cu and Cu/Ni UBMs using LS-DYNA to alter the design parameters of the flip chips, such as thickness of the flip chip and size of the solder ball. It was found that a smaller chip thickness, larger solder ball diameter, and using the Cu/Ni UBM can improve the drop lifetime of solder balls.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, UBM(Under-bump metalization)은 Cu UBM과 Cu/Ni UBM 두 가지를 고려하여 UBM에 따른 충격수명 변화를 살펴본다. 궁극적으로는 305 솔더볼을 가진 보드레벨 플립칩에서 충격수명에 미치는 요인 중 충격수명에 유리한 최적의 조건을 파악하고자 한다.
기존의 연구^[7]에서는 기준 모델을 한 가지로 한정하여 수명해석을 진행하여 칩 패키징 규격 변화에 따른 수명의 경향성을 볼 수 없었다. 본 연구에서 적용할 플립칩의 설계 매개변수로는 칩두께와 솔더볼 지름으로 선택하였으며, 각 설계 매개변수에 따른 보드레벨 플립칩에서 충격수명 변화의 경향을 알아보고자 한다. 또한, UBM(Under-bump metalization)은 Cu UBM과 Cu/Ni UBM 두 가지를 고려하여 UBM에 따른 충격수명 변화를 살펴본다.
5Cu)^[1]의 경우, 최근 여러 연구 등을 통해 비교적 정확한 물성치를 제공^[2-4]하고 있어, 이에 따라 305 솔더볼을 가진 보드 레벨의 플립칩 충격수명해석에 대한 연구의 필요성이 제기되고 있다. 본 연구에서는 305솔더볼을 가진 보드 레벨의 플립칩에 대해 솔더볼의 설계 매개변수 변화에 따른 외재적 해석 방법을 적용하여 낙하충격수명해석을 수행하고자 한다.

제안 방법

UBM은 솔더볼의 접합을 용이하게 하면서 이온 물질 확산을 막아 칩 손상을 방지하는 역할을 하는 적층막이다. UBM의 조성 또한 솔더볼의 수명에 영향을 줄 것으로 예상하여, 본 연구에서는 첫째, 구리 조성 UBM(Cu UBM)과 둘째, 구리와 니켈 조성 UBM(Cu/Ni UBM) 등 두 가지로 나누어 해석을 진행하였다. Fig.
각 칩에서 응력이 가장 많이 작용하는 솔더볼에 대해, 경계 및 구속조건을 부여하고, 외재적 방법에 의한 해석에서 도출된 압력 값을 솔더볼에 작용하는 힘으로 적용하였다. Fig.
Table 2는 플립칩의 솔더볼 관련 설계 매개변수이며, 각 항목별 값들은 N사에서 제공받았다. 기존 연구에서 사용한 오리지널 모델(original model)에서, 칩 두께는 0.3 mm으로, 솔더볼의 지름은 0.25 mm로 고정되어 있으나, N사에서 플립칩 설계시 적용할 수 있는 매개변수의 값으로, 칩두께는 0.2 mm에서 0.5 mm로 0.1 mm씩 증가시키면서 모델링을 하였고, 솔더볼 지름은 0.2 mm부터 0.35 mm까지 바꾸어 가며 해석을 진행하였다^[6].
낙하충격 수명예측해석 수행할 때, 입력해야할 재료 물성치는 솔더볼에 작용하는 하중이 항복강도 이상의 값이기 때문에 변형률 수명 곡선을 사용하여 해석을 수행하였다. 기존 연구의 경우 305솔더볼 조성의 소성영역 물성치가 비교적 정확하지 않아 새로운 연구 논문들을 참고하여 물성치를 수정하였다^[2-4].
본 연구에서 적용할 플립칩의 설계 매개변수로는 칩두께와 솔더볼 지름으로 선택하였으며, 각 설계 매개변수에 따른 보드레벨 플립칩에서 충격수명 변화의 경향을 알아보고자 한다. 또한, UBM(Under-bump metalization)은 Cu UBM과 Cu/Ni UBM 두 가지를 고려하여 UBM에 따른 충격수명 변화를 살펴본다. 궁극적으로는 305 솔더볼을 가진 보드레벨 플립칩에서 충격수명에 미치는 요인 중 충격수명에 유리한 최적의 조건을 파악하고자 한다.
특히 솔더볼과 칩의 접합부, 솔더볼과 PCB보드의 접합부에서 요소의 크기가 작아지고 그 숫자가 증가함에 따라 많은 문제가 실제 해석 수행할 때 발생하였다. 문제점을 해결하기 위해서 기존 연구를 토대로, 낙하충격 수명해석의 중점적인 대상인 파손예상지점의 솔더볼만 실제 형상과 동일하게 구 형태로 모델링을 하고 이를 제외한 모든 솔더볼을 직육면체의 형태로 하였다^[8,9]. Fig.
본 연구에서는 플립칩의 설계 매개변수 중 낙하충격수명에 가장 크게 영향을 미치는 칩 두께와 솔더볼의 크기 등 두 가지 설계 매개변수를 변화시키면서 낙하충격 수명예측해석을 실시하였다.
6과 같이 1/4로 모델링을 하였다. 이에 대칭면에 위치한 플립칩과 PCB 보드의 각 단면에 X축 및 Y축 방향의 고정 조건을 부가하였고, 나사 구멍 부분은 Z축 방향의 고정조건을 주었다. 또한 이 부분에 충격가속도 1,250 G 값을 +Z축 방향으로 부가하였다^[7].
각 부분을 동일한 격자 크기로 해석을 실행할 경우, 네가티브 볼륨(negative volume)의 문제점이 발생하여 해석이 수행되지 않았다. 이에 플립칩을 격자물체크기(mesh body size) 0.3 mm으로, 솔더볼은 격자엣지크기(mesh edge size) 0.06 mm로 각 부분에 따라 해석에 적합한 격자 크기를 조절하여 해석을 시도하였다.
Table 8의 경우, 좌측 영역이 기존 연구에서 사용된 값이며 우측 항목이 새롭게 수정 입력된 값이다. 표에서 알 수 있듯이 물성치의 차이를 보이고 있으며, 이러한 요인이 솔더볼 수명에 큰 영향을 끼치는 것을 확인하고 해석을 실시하였다.
플립칩의 설계 매개변수로는, 일반적으로 칩 두께(thickness of chip), 칩 크기(chip size), 솔더볼의 크기(size of solder ball), 솔더볼의 배열(array of solder ball), 솔더볼의 피치(pitch of solder ball) 등 5가지이나, 국내 후공정 전문업체인 N사로부터 플립칩 솔더볼 수명에 영향을 더 크게 미치는 변수로, 칩의 두께 및 솔더볼의 지름 등 2개를 매개변수로 선정하여 해석을 수행하였다. Table 2는 플립칩의 솔더볼 관련 설계 매개변수이며, 각 항목별 값들은 N사에서 제공받았다.
해석을 수행하기에 앞서 UBM을 고려한 모델링을 실시하였다. UBM은 솔더볼의 접합을 용이하게 하면서 이온 물질 확산을 막아 칩 손상을 방지하는 역할을 하는 적층막이다.
해석결과, 플립칩이 있는 보드 레벨의 반도체 패키징을 낙하시킬 때 가장 안전한 모델은, 칩 두께는 얇게, 솔더볼의 지름은 크게 설계되어야 한다. 후공정 전문 기업인 N사로부터 주어진 솔더볼의 설계 매개변수를 적용한 본 해석 결과를 토대로 가장 얇은 칩 두께인 0.2mm와 가장 큰 솔더볼의 지름인 0.35mm을 적용하여 새로운 모델(new model)을 제시하였다. 본 연구에서 제시된 새로운 모델과, 칩두께가 0.

이론/모형

수명예측은 변형률 수명(strain life)에서 해석을 진행하며 그 방법으로는 MORROW방법과 SWT방법이 있다. 본 논문에서는 압축강도를 유리하게 작용하는 SWT방법을 이용한다. 기존의 연구^[7]에서는 기준 모델을 한 가지로 한정하여 수명해석을 진행하여 칩 패키징 규격 변화에 따른 수명의 경향성을 볼 수 없었다.
1과 같으며, Table1에서는 PCB 보드(board), 305 조성의 솔더볼을 갖는 플립칩 등으로 구성된 반도체 패키지의 크기를 나타내고 있다. 본 연구에서는 JEDEC 실험 규격에 명시된 낙하 시험의 규격에 따라 해석대상을 선정하였다.
외재적 방법에 의해 낙하충격해석에서 도출한 압력 값을 내재적 방법에 의해 낙하충격 수명예측 해석을 수행할 때, 입력하중으로 부가해 해석을 진행한다. 이때 해석 방법에는 크게 MORROW 방법과 SWT(Smith watson topper)방법이 있는데, MORROW 방법은 수명 해석시 물체에 같은 압축응력과 인장응력이 작용했을 때 압축수명을 유리하게 적용시키지 않아 SWT방법을 채택하여 수명해석을 진행하였다^[7].

성능/효과

7과 같이 PCB보드가 휘어지는 것을 확인 할 수 있다. 또한 실제 해석결과 동영상을 통해, 나사구멍 쪽에 응력이 집중됨을 확인 할 수 있었다
35mm을 적용하여 새로운 모델(new model)을 제시하였다. 본 연구에서 제시된 새로운 모델과, 칩두께가 0.3mm이고, 솔더볼의 지름 0.25mm인 기존의 오리지널 모델과의 낙하충격 수명예측 해석결과 값을 Fig. 14에 비교 분석하였으며, 새로운 모델에 대한 수명예측 해석 값이 크게 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, 구리 UBM조성의 솔더볼의 경우보다 구리/니켈 UBM조성의 경우가 솔더볼 수명에 유리한 경향을 보였다.
2는 관심 해석대상인 솔더볼에 대해, 기존의 직육면체 형상을 구의 형태로 다시 모델링 한 모습을 보여준다. 요소 수를 줄임으로써 해석시간의 단축과 파손예상지점 솔더볼에 대한 해석결과의 정확도 향상을 구현하였다.
칩 두께별 솔더볼의 수명해석 결과는 Table 9 및 Fig. 12에 제시하였으며, 0.2 mm의 칩두께를 갖는 모델을 제외하고, 칩두께가 증가할수록 수명이 감소하는 경향을 나타냈다. 또한 Table 9의 결과에서 알 수 있듯이 구리 UBM의 경우 보다 구리/니켈 UBM 조성의 경우가 수명에 좀 더 유리함을 확인 할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	외재적 방법을 이용한 낙하충격해석이 내재적 방법보다 신뢰도가 높은 이유는 무엇인가?	외재적 방법을 이용한 낙하충격해석은 내재적 방법[5,6]보다 실제 실험조건과 동일하게 직접 프로그램 내에서 구현하기 때문에 보다 신뢰도가 높다. 일반적으로 ANSYS LS-DYNA 상용프로그램을 사용하며, 이때 DESIGN MODELER를 이용해 플립칩 패키지를 모델링한다.
	시뮬레이션을 통한 낙하충격해석의 필요성이 대두되는 배경은 무엇인가?	최근 전자제품의 소형화에 따라 사용자의 부주위로 인한 낙하충격빈도가 증가하고 있다. 이러한 충격이 빈번해 지면서 전자기기 내부에도 큰 충격이 가해져 파손되는 경우가 크게 증가하고 있다. 따라서 공학적 측면에서 효율적인 방법을 적용한 시뮬레이션을 통한 낙하충격해석의 필요성이 대두되고 있다.
	낙하충격 수명예측 해석 방법은 무엇이 있는가?	외재적 방법에 의해 낙하충격해석에서 도출한 압력 값을 내재적 방법에 의해 낙하충격 수명예측 해석을 수행할 때, 입력하중으로 부가해 해석을 진행한다. 이때 해석 방법에는 크게 MORROW 방법과 SWT(Smith watson topper)방법이 있는데, MORROW 방법은 수명 해석시 물체에 같은 압축응력과 인장응력이 작용했을 때 압축수명을 유리하게 적용시키지 않아 SWT방법을 채택하여 수명해석을 진행하였다[7].

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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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