[논문]반도체 패키지의 굽힘변형 측정을 위한 그림자 무아레의 감도향상 기법연구

이동선; 주진원

doi:10.6117/kmeps.2015.22.3.057

반도체 패키지의 굽힘변형 측정을 위한 그림자 무아레의 감도향상 기법연구
Sensitivity Enhancement of Shadow Moiré Technique for Warpage Measurement of Electronic Packages 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.22 no.3, 2015년, pp.57 - 65

초록
AI-Helper

반도체 패키지는 여러 가지 다양한 재료로 구성되어 있으며, 제조시나 사용 환경에서 온도가 변하면 각 재료의 열팽창 계수의 차이로 인하여 굽힘변형이 발생하게 된다. 그림자 무아레 방법은 비접촉으로 전체 영역에 걸친 면외변위를 측정하는 광학적 방법이지만 측정 감도가 $50{\mu}m/fringe$ 이상이어서 반도체 패키지의 굽힘변형을 측정하기에는 적당하지 않은 면이 있었다. 본 논문에서는 그림자 무아레 시스템에 위상이동 기법을 적용하여 $12.5{\mu}m/fringe$의 향상된 감도를 갖는 측정장치를 구성하였다. 그림자 무아레 측정에서 나타나는 탈봇 현상을 고려하여 1/2 탈봇 영역에서 변형을 측정할 수 있도록 실험을 수행하였다. 위상이동에 의해 기록되는 4장의 그림자 무늬를 영상처리하여 감도가 4배 향상된 그림자 무늬를 얻어내었다. 본 논문에서 개발한 측정방법을 기존의 섬유강화 패키지 기판과 무섬유 패키지 기판에 적용하여 상온과 약 $100^{\circ}C$의 환경에서 발생하는 굽힘변형을 측정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electronic packages consist of various materials, and as temperature changes, warpage occurs because of the difference in coefficient of thermal expansion. Shadow $moir{\acute{e}}$ is non-contact, whole field measurement technique for out-of-plane displacement. However, the technique has low sensitivity above $50{\mu}m/fringe$, it is not adequate for the warpage measurement in some circumstance. In this paper, by applying phase shifting process to the traditional shadow $moir{\acute{e}}$, measurement system having enhanced sensitivity of $12.5{\mu}m/fringe$ is constructed. Considering Talbot effect, the measurement is carried out in the half Talbot area. Shadow fringe pattern having four times enhanced sensitivity is obtained by the image process with four shadow fringes. The measurement technique is applied to the fibered package substrate and coreless package substrate for measuring warpages at room temperature and at about $100^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 50 μm/fringe의 측정 감도를 가질 수 있는 그림자 무아레 측정 장치를 구성하고, 위상이동 방법을 이용하여 향상된 감도를 갖는 기법을 연구하였다.

가설 설정

대상으로 하는 반도체 패키지의 굽힘 변위를 대략적으로 예측하기 위하여 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소 해석에서는 Fig. 14와 같이 패키지가 칩과 패키지 기판으로만 구성되었다고 가정하고 3차원 8절점 선형요소를 사용하여 모델링하였다. 두 가지 패키지의 모델링형상은 차이가 있지만, 요소 수는 10000개, 절점 수는11781개로 동일하게 모델링하였다.
19에 나타내었다. 유한요소해석의 결과는 중심선을 따라 계산된 변위 값이고 상온에서는 굽힘변위가 없는 것으로 가정한 상대적인 값을 표시한다. 실험값은 무아레 무늬의 차수를 이용하여 무아레 무늬가 지나가는 위치와 차수의 관계를 식 (1)로 계산하여 표시하였다.

제안 방법

이 램프는 빛의 강도 I를 1~12까지 조절하여 사용할 수 있으며, 광섬유와 실린더 렌즈를 이용하여 빛이 한쪽 방향으로만 퍼지도록 하였다. CCD카메라를 컴퓨터에 설치된 영상처리장치에 연결하여 무아레 무늬의 영상을 모니터에서 보여주고 저장할 수 있도록 하였다. 광원과 CCD 카메라는 각각 프레임을 제작하여 고정 시킨 후 슬라이딩 장치를 만들어 기준격자와 관측원의 거리 L과 관측원과 광원 사이의 거리 D를 최소 1 mm의 단위로 조절할 수 있도록 하였다.
CCD카메라를 컴퓨터에 설치된 영상처리장치에 연결하여 무아레 무늬의 영상을 모니터에서 보여주고 저장할 수 있도록 하였다. 광원과 CCD 카메라는 각각 프레임을 제작하여 고정 시킨 후 슬라이딩 장치를 만들어 기준격자와 관측원의 거리 L과 관측원과 광원 사이의 거리 D를 최소 1 mm의 단위로 조절할 수 있도록 하였다. 시편은 기울기를 줄 수 있도록 스테이지(tilt stage) 위에 고정하였으며, 기준격자와 시편 사이의 거리 z를 마이크로미터로 조정할 수 있도록 하였다.
해석을 위한 각 재료의 정확한 물성치 자료는 얻기가 어려워서 기존에 연구된 논문¹¹⁾에서 사용된 재료의 물성치를 인용하여 사용하고 Table 2에 나타내었다. 기판 내부 코어의 구조 및 칩과 기판의 연결 솔더 등은 무시하고 해석을 수행하였다.
대상으로 하는 반도체 패키지의 굽힘 변위를 대략적으로 예측하기 위하여 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소 해석에서는 Fig.
따라서 기준격자의 피치를 감소시키거나 입사각을 증가시켜 감도를 향상시키는 것은 한계가 있으며, 본 논문에서는 기준격자의 피치 50 μm, 입사각이 63.4° 일 때의 실험조건(측정감도 25 μm/fringe)으로 측정을 수행하였다.
본 논문에서는 4단계 위상이동 기법을 사용하였으며, 한 주기 2π 내에서 순차적으로 π/2씩 4번의 위상이동을 통하여 각위상에서 무아레 무늬의 영상을 획득하였다.
본 논문에서는 관측원을 기준격자의 수직방향에 위치시켜 반사각 β가 0이 되도록 하였고, 관측원과 시편의 높이, 광원과 관측원 사이의 거리를 조절하여 입사각을 설정하고 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 그림자 무아레 장치에 위상이동 기법을 적용하여 12.5 μm/fringe의 향상된 감도를 갖는 측정장치를 구성하였다.
패키지 기판이 얇아져 열팽창계수가 더 커지고 탄성계수가 작아질수록 이러한 굽힘변형은 더 크게 발생하여 심각한 문제를 발생시킬 수 있다. 본 논문에서는 앞에서 연구한 무아레 감도향상 기법을 이용하여 기존의 패키지 기판과 무섬유 패키지 기판으로 구성된 반도체 패키지의 굽힘 변형을 측정하였다. 실제 시험에 사용된 FC-BGA(Flip-chip ball grid array) 패키지는 Fig.
그러나 25 μm/fringe의 측정감도는 반도체 패키지의 굽힘 변위를 측정하기에는 감도가 충분하지 않아 정확한 측정이 어렵다. 본 논문에서는 이와 같은 한계를 극복하기 위하여 기존의 실험조건을 사용하면서 측정감도를 4~6배까지 향상 시킬 수 있는 위상이동(phase shift) 기법¹⁰⁾을 이용하여 실장장치를 구성하고 영상처리를 수행하였다.
광원과 CCD 카메라는 각각 프레임을 제작하여 고정 시킨 후 슬라이딩 장치를 만들어 기준격자와 관측원의 거리 L과 관측원과 광원 사이의 거리 D를 최소 1 mm의 단위로 조절할 수 있도록 하였다. 시편은 기울기를 줄 수 있도록 스테이지(tilt stage) 위에 고정하였으며, 기준격자와 시편 사이의 거리 z를 마이크로미터로 조정할 수 있도록 하였다.
실험은 기준격자의 피치 100 μm, 입사각 63.4°의 조건, 즉 측정감도 50 μm/fringe의 조건에서 수행하였고, 시편을 1/2 탈봇 지점 근처에 위치시키고 4번의 위상이동을 통하여 감도를 4배로 향상시켰다.
앞에서 연구한 감도향상 기법을 이용하여 온도변화에 따른 패키지의 굽힘변형을 측정하였다. 이를 위하여 상온에서 열전소자를 이용하여 100℃까지 열을 가한 후 패키지의 무아레 무늬를 얻어내었다.
열전달 장치는 Ferrotec사의 열전소자(Model 9501/242/ 160B, 9500/ 337/100B)를 사용하였으며 냉각과 가열시 넓은 온도범위를 확보하기 위해 적층하여 사용하였다. 열전소자는 Toyotech사의 DP 30-05TP 전력 공급 장치를 사용하여 온도를 조절하였고, 시편에 가해지는 온도는 열전대를 이용하여 실시간으로 측정하였다.
위상이동 기법에 대한 변위 측정의 신뢰성과 실험장치의 확인을 위하여 기준격자의 피치 100 μm, 입사각 63.4°의 실험조건(측정감도 50 μm/fringe)으로 평평한 시편에 대한 실험을 수행하였다.
5 μm/fringe의 향상된 감도를 갖는 측정장치를 구성하였다. 위상이동에 의해 기록되는 4장의 그림자무늬를 영상 처리하여 감도가 4배 향상된 그림자 무늬를 얻어내고 이를 섬유강화 패키지 기판과 무섬유 패키지 기판에 적용하여 온도변화에 따라 발생하는 굽힘변형을 측정한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
위상이동을 하기 위한 이송장치로는 NAI사의 모션 스테이지와 컨트롤러를 사용하였고, 커넥터를 제작하여 스테이지와 무아레 격자를 결합하여 시편이 정밀하게 상하이동할 수 있도록 장치를 구성하였다. 모션스테이지는 스텝 모터에 의해 한 카운트 당 0.
이를 위하여 그림자 무아레 무늬를 영상처리하여 감도가 12.5 μm/fringe로 향상된 그림자 무늬를 얻어내고, 이를 섬유강화 패키지 기판과 무섬유 패키지 기판에 적용하여 온도변화에 따라 발생하는 굽힘변형을 측정하였다.
앞에서 연구한 감도향상 기법을 이용하여 온도변화에 따른 패키지의 굽힘변형을 측정하였다. 이를 위하여 상온에서 열전소자를 이용하여 100℃까지 열을 가한 후 패키지의 무아레 무늬를 얻어내었다. 실험은 기준격자의 피치 100 μm, 입사각 63.
입사각 각도는 α=45°(tanα= 1), 63.4°(tanα=2), 68.2°(tanα=2.5)가 되도록 시스템을 구성하여 무아레 측정 감도가 동일 피치에서 각각 1배, 2배, 2.5배가 되도록 하였다.
해석은 상온(18℃)에서 100℃까지 온도가 변화할 때의 조건을 열하중으로 적용하였다. 두 가지 시편에 대한 면외변위 분포를 Fig.

대상 데이터

2와 같이 구성하였다. 광원은 백색광으로 Dolan-Jenner사의 DC-950 할로겐 램프를 사용하였다. 이 램프는 빛의 강도 I를 1~12까지 조절하여 사용할 수 있으며, 광섬유와 실린더 렌즈를 이용하여 빛이 한쪽 방향으로만 퍼지도록 하였다.
14와 같이 패키지가 칩과 패키지 기판으로만 구성되었다고 가정하고 3차원 8절점 선형요소를 사용하여 모델링하였다. 두 가지 패키지의 모델링형상은 차이가 있지만, 요소 수는 10000개, 절점 수는11781개로 동일하게 모델링하였다. 주위에서 구할 수 있는 시편을 사용하였으므로 패키지의 크기와 형상은 동일하지 않았으며, 섬유강화 패키지는 칩의 크기가 10.
본 논문에서의 실험장치는 기존의 무아레 실험장치⁸⁾에 위상이동을 위한 장치를 추가 하여 Fig. 2와 같이 구성하였다. 광원은 백색광으로 Dolan-Jenner사의 DC-950 할로겐 램프를 사용하였다.
본 실험에서 사용된 할로겐 램프의 유효파장은 531 nm로 했을 때, 입사각 α와 기준격자의 피치에 따른 탈봇거리를 Table 1과 Fig. 7에 나타내었다.
시편에 열을 가하여 온도를 변화시킬 수 있도록 열전달 장치를 시편이 부착된 알루미늄 판에 결합하였다. 열전달 장치는 Ferrotec사의 열전소자(Model 9501/242/ 160B, 9500/ 337/100B)를 사용하였으며 냉각과 가열시 넓은 온도범위를 확보하기 위해 적층하여 사용하였다. 열전소자는 Toyotech사의 DP 30-05TP 전력 공급 장치를 사용하여 온도를 조절하였고, 시편에 가해지는 온도는 열전대를 이용하여 실시간으로 측정하였다.

성능/효과

(1) 측정 감도를 향상시키기 위하여 기준격자의 피치를 줄이거나, 입사각을 조절하는 방법은 탈봇현상으로 인하여 측정이 제한되므로, 위상이동 기법을 이용하여 획득한 4개의 영상에 대한 영상처리를 통하여 동일한 기준격자에서 4배의 감도가 향상된 무아레 무늬를 얻을 수 있었다.
(2) 무아레 기준격자 100 μm, 입사각 63.4°, 측정감도 50 μm/fringe의 조건에서 위상이동 기법을 적용하여 12.5 μm/fringe의 측정감도를 확보할 수 있었다.
(3) 반도체 패키지의 굽힘변위를 측정한 결과, 각 위상에서의 무아레 무늬는 50 μm/ fringe의 측정감도를 가지므로 무아레 무늬의 구분이 어려웠지만 감도향상 기법을 이용하여 영상 처리한 무아레 무늬는 12.5 μm/fringe의 측정감도를 가지므로 무아레 무늬의 해석이 가능하였다.
(4) 무섬유 기판으로 구성된 패키지는 온도 변화에 대해 섬유강화 기판으로 구성된 패키지에 비해 훨씬 큰 굽힘변위를 발생시켰으므로 개발 시 온도에 따른 굽힘변위을 고려할 필요가 있으며, 이를 측정할 수 있는 신뢰성 있는 측정방법이 필요하다는 것을 알 수 있다.
2.3절에서 언급한 것와 같이 측정 감도를 25 μm/fringe보다 더 높게 하여 반도체 패키지의 굽힘 변위를 측정하는 것은 현실적으로 어렵다.
17은 상온(20℃)과 100℃에서 무섬유패키지에 대한 각 위상에서의 무아레 무늬와 영상 처리된 무아레 무늬를 보여주고 있다. 섬유강화 패키지의 경우에서와 같이, 영상 처리된 무아레 무늬는 충분히 구별이 가능하였다. 무섬유 패키지의 경우에는 상온(20℃)에서도 상당한 개수의 무아레 무늬가 발생한 것을 볼 수 있다.

후속연구

이를 고려하면 대략적으로 실험결과와 일치하는 것으로 볼 수 있다. 결과적으로 무섬유 기판으로 구성된 패키지는 온도 변화에 대해 섬유강화 기판으로 구성된 패키지에 비해 훨씬 큰 굽힘변위를 발생시켰으므로 개발 시 온도에 따른 굽힘변위을 고려할 필요가 있으며, 이를 측정할 수 있는 신뢰성 있는 측정방법이 필요하다는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자 패키지는 여러 요인으로 상당한 양의 굽힘 변형이 발생할 수 있는데 이 경우 문제점은?	전자 패키지는 curing 후 상온으로 돌아왔을 때, 혹은 패키지에 전력이 전달되어 온도가 변화할 때 반도체 칩과 패키지 기판의 열팽창계수 차이로 인하여 상당한 양의 굽힘변형이 발생할 수 있다. 이로 인하여 응력집중 등이 발생해서 패키지의 신뢰성이 저하될 수 있으며, 경우에 따라서는 패키지 자체의 기능이 전기적으로 작동하지 않을 수도 있다. 특히 다적층 패키지의 경우에서는 굽힘이 커지면 적층이 불가능한 경우도 발생하며, 패키지 위에 히트싱크 등의 부가구조가 부착될 때에는 제작을 어렵게 하거나 열전달이 설계와 다르게 진행될 수 있다. 따라서 기능이 우수한 무섬유 패키지 기판을 개발하고, 전자 패키지의 적합한 구조 및 재료를 선택하기 위해서는 온도변화에 따른 굽힘변형의 신뢰성 있는 평가가 필요하다.
	패키지 기판이란?	패키지 기판(package substrate)은 반도체 칩과 연결되어 전기적, 기계적으로 중요한 역할을 하는 반도체 부품이다. 패키지의 소형화, 특히 스마트폰 등에서와 같이 박형화 추세가 가속됨에 따라 점점 얇은 두께의 패키지 기판 개발이 산업체의 큰 관심을 받게 되었다.
	일반적인 패키지 기판 구조는?	패키지의 소형화, 특히 스마트폰 등에서와 같이 박형화 추세가 가속됨에 따라 점점 얇은 두께의 패키지 기판 개발이 산업체의 큰 관심을 받게 되었다. 일반적인 패키지 기판은 섬유가 짜여 골격을 이루고 그 사이 사이에 에폭시 계통의 기질이 필름 형식으로 기판을 이루는 구조로 되어 있다. 얇은 패키지 기판을 개발하기 위해서 여러 가지 기술이 시도되고 있는데, 그중의 하나로 폴리머와 구리판으로만 구성되는 무섬유 패키지 기판에 대한 기술개발이 전략적으로 이루어져 현재 두께 0.

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저자의 다른 논문 :

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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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