[논문]수치해석을 이용한 판넬과 스트립 및 유닛 레벨 반도체 패키지용 PCB의 열변형 해석

조승현; 고영배

doi:10.6117/kmeps.2019.26.4.023

수치해석을 이용한 판넬과 스트립 및 유닛 레벨 반도체 패키지용 PCB의 열변형 해석
Numerical Analysis of Thermal Deformation of a PCB for Semiconductor Package at Panel, Strip and Unit Levels 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.4, 2019년, pp.23 - 31

조승현 (동양미래대학교 기계공학과) , 고영배 (한국생산기술연구원 금형기술그룹팀)

초록
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본 논문에서는 다구찌법과 유한요소법의 수치해석을 통해 인쇄회로기판의 열변형과 열변형에 미치는 설계인자의 영향도를 계산하였다. 인쇄회로기판의 패널과 스트립 레벨은 큐어링 온도조건에서, 유닛 레벨은 리플로우 온도조건에서 수치해석을 수행하였다. 해석결과에 따르면 패널의 열변형이 스트립과 유닛의 열변형량과 형상에 가장 큰 영향을 미치며, 특히 z방향 변형량이 xy평면 방향의 변형량보다 크게 발생하였다. 열변형에 대한 설계인자의 영향도 분석 결과에 의하면 열변형을 줄이기 위한 설계인자들의 영향도와 설계조건이 패널, 스트립과 유닛 레벨에 따라 달라지기 때문에 반도체 패키지의 신뢰성 향상을 목적으로 유닛 레벨의 열변형을 제어하기 위해서는 패널 레벨의 열변형을 제어할 필요가 있고 인쇄회로기판의 층별 두께는 설계인자 수준의 중간으로 선정하는 것이 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we conducted numerical analyses using the Taguchi method and finite element method to calculate the thermal deformation of a printed circuit board and the effect of design factors on the thermal deformation. Analysis results showed that the thermal deformation of the panel had the strongest effect on the thermal deformation and shape of the strip and unit. In particular, the deformation in the z direction was larger than that in the xy-plane direction. The effect of design factors and the design conditions for reducing the thermal deformation of the panel and strip changed at the unit level. Therefore, it is recommended that panel-level thermal deformation must be controlled to reduce the final thermal deformation at the unit level because the thermal deformation of the strip strongly affects that of the unit.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Geometry of PCB for finite element analysis.
그림 Fig. 2. A quarter FE modeling of PCB panel.
그림 Fig. 3. Modeling for a strip and units.
그림 Fig. 4. Material properties of dummy area as a function of temperature.
표 Table 1. Copper portions of circuit layers
그림 Fig. 5. Material properties of units area as a function of temperature.
그림 Fig. 6. Properties of solder resist, prepreg and copper as a function of temperature.
그림 Fig. 7. Temperature profile for sequential analysis.
그림 Fig. 8. Thermal deformation distribution on panel with taguchi 1 model at end of curing temperature.
표 Table 2. Thickness of layers in PCB
표 Table 3. Factor and levels of the Taguchi method for PCB
표 Table 4. Orthogonal array of L₈(4²) of Taguchi method for PCB
그림 Fig. 9. Thermal deformation distribution on strip with taguchi 1 model at end of curing temperature.
그림 Fig. 10. Thermal deformation distribution on units with taguchi 1 model at end of reflow temperature.
그림 Fig. 11. Thermal deformation of panel, strip and units under curing and reflow temperature condition.
그림 Fig. 12. SN ratio of panel, strip unit B in terms of thermal deformation to the x direction.
그림 Fig. 13. SN ratio of panel, strip unit B in terms of thermal deformation to the y direction.
그림 Fig. 14. SN ratio of panel, strip and unit B in terms of thermal deformation to the z direction.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 3층 회로층을 갖는 FCCSP용 인쇄회로 기판의 패널, 스트립, 유닛 레벨의 열변형을 유한요소법을 이용한 수치해석으로 연구하였다.¹⁹⁾ 또한 다구찌법을 이용하여 인쇄회로기판의 층별 두께가 패널, 스트립, 유닛 레벨의 열변형에 미치는 영향을 분석하였다.
본 논문에서는 다구찌법과 유한요소법의 수치해석을 통해 인쇄회로기판의 열변형과 열변형에 미치는 설계인자의 영향도를 계산하였다. 이것을 위해 패널과 스트립 레벨은 큐어링 온도조건에서, 유닛 레벨은 리플로우 온도조건에서 수치해석을 수행하였다.
절연층과 회로층의 두께를 조절하면서 인쇄회로기판의 열변형을 제어하는 것은 매우 효과적인 방법 중 하나이다. 본 논문에서도 인쇄회로기판의 열변형에 미치는 두께인자의 효과를 분석하고자 한다. Table 2는 인쇄회로기판 두께인자들의 두께정보를 나타낸 표이고, Table 3은 인쇄회로기판의 두께인자들이 열변형에 미치는 영향도 분석을 위해 다구찌법을 사용하기 위한 4인자 2수준의 표이다.
이러한 연구에는 수치해석이나 통계적 기법을 이용되어 열변형에 대한 메카니즘 규명을 목적으로 수행되고 있다.^13-16) 인쇄회로기판 열변형에 대한 많은 연구는 패키지 레벨로 수행되기 때문에 인쇄회로기판은 유닛(unit) 레벨을 대상으로 진행되는 것이 대부분이며, 스트립(strip)을 대상으로 한 열변형 연구가 제한적으로 진행되고 있다.

가설 설정

8은 큐어링 온도조건이 끝난 후 패널에서 x, y, z 방향으로 발생한 열변형 분포를 보여주고 있다. 이때 패널의 초기 변형량은 0라고 가정하였다. 해석결과에 의하면 x방향과 y방향으로는 각각 -0.

제안 방법

(a)의 큐어링 온도조건에서 수행되어 계산된 Fig. 1의 “A” 위치에서 발생한 열변형은 스트립의 열변형 해석시 스트립의 초기 열변형값으로 입력되어 다시 큐어링 온도조건으로 해석을 수행하였다.
19) 또한 다구찌법을 이용하여 인쇄회로기판의 층별 두께가 패널, 스트립, 유닛 레벨의 열변형에 미치는 영향을 분석하였다.
Table 2는 인쇄회로기판 두께인자들의 두께정보를 나타낸 표이고, Table 3은 인쇄회로기판의 두께인자들이 열변형에 미치는 영향도 분석을 위해 다구찌법을 사용하기 위한 4인자 2수준의 표이다. 4인자는 절연층인 SR과 PPG와 회로층으로 외층인 L1, L3와 내층인 L2을 선정하였는데 4인자의 각 수준은 인자들의 평균 두께를 수준 1로, 평균 두께의 25%가 증가한 두께를 수준 2로 결정하였다. 다구찌법은 Table 4와 같이 L₈(4²) 직교배열표를 사용하고 인쇄회로기판의 열변형이 적으면 적을수록 좋은 망소특성으로 SN비(signal to noise)을 분석하였다.
Fig. 3은 스트립과 유닛의 열변형 해석을 위한 유한요소 모델링인데 스트립은 패널의 외곽의 것을 선정하여 위치 ②에서 열변형을 분석하였고, 유닛의 열변형은 스트립 외곽의“B”와 “C”와 중심인 “D”로 선정하고 각각 ③, ④, ⑤ 위치에서 분석하였다.
스트립 레벨의 열변형 해석은 패널에서 변형이 가장 크게 발생하는 위치인 외곽의 “A”위치의 스트립을 대상으로 수행하였다.
3은 스트립과 유닛의 열변형 해석을 위한 유한요소 모델링인데 스트립은 패널의 외곽의 것을 선정하여 위치 ②에서 열변형을 분석하였고, 유닛의 열변형은 스트립 외곽의“B”와 “C”와 중심인 “D”로 선정하고 각각 ③, ④, ⑤ 위치에서 분석하였다. 스트립과 유닛의 수치해석은 각 센터를 고정하여 해석을 수행하였다.
이것을 위해 패널 레벨→스트립 레벨→유닛 레벨로 형상이 변할 때 패널의 최종 열변형량이 스트립의 초기 변형량 조건으로, 스트립의 최종 열변형량이 유닛의 초기 변형량 조건으로 설정하였다.
본 논문에서는 다구찌법과 유한요소법의 수치해석을 통해 인쇄회로기판의 열변형과 열변형에 미치는 설계인자의 영향도를 계산하였다. 이것을 위해 패널과 스트립 레벨은 큐어링 온도조건에서, 유닛 레벨은 리플로우 온도조건에서 수치해석을 수행하였다. 이것을 위해 패널 레벨→스트립 레벨→유닛 레벨로 형상이 변할 때 패널의 최종 열변형량이 스트립의 초기 변형량 조건으로, 스트립의 최종 열변형량이 유닛의 초기 변형량 조건으로 설정하였다.
2는 패널의 열변형 해석을 위한 유한요소 모델링을 보여주고 있다. 패널은 1/4 형상을 모델링하였고 패널의 열변형은 외곽 ①위치에서 분석하였다. Fig.
한편 다구찌법에 의한 열변형에 대한 설계인자의 영향도 분석을 수행하였다. 해석결과에 의하면 패널과 스트립의 열변형에는 회로 외층 두께의 영향도가 가장 크고 PPG 두께의 영향도는 무시할 만큼 작았다.

대상 데이터

스트립은 77.5 mm×240mm 크기로 5×18개 유닛으로 구성되어 있고 스트립 내 유닛의 열변형을 관찰하는 위치는 외곽의 “B”와 “C”와 중심인 “D”로 선정했고 유닛의 크기는 13.5 mm×11.5 mm이다.
패널은 413 mm×503 mm로 8개의 스트립으로 구성되어 있다.

이론/모형

4인자는 절연층인 SR과 PPG와 회로층으로 외층인 L1, L3와 내층인 L2을 선정하였는데 4인자의 각 수준은 인자들의 평균 두께를 수준 1로, 평균 두께의 25%가 증가한 두께를 수준 2로 결정하였다. 다구찌법은 Table 4와 같이 L₈(4²) 직교배열표를 사용하고 인쇄회로기판의 열변형이 적으면 적을수록 좋은 망소특성으로 SN비(signal to noise)을 분석하였다.¹⁷⁾
4~5와 같이 온도의 함수로 계산하여 해석에 적용하였다. 이때 재료특성값은 Fig. 6의 솔더 레지지트(solder resist, SR), 프리프레그(prepreg, PPG)의 재료 특성값을 사용하여 복합재의 단순 복합칙(Simple rule of mixture)로 계산되었다.¹⁸⁾

성능/효과

이와 같은 Fig. 11(a), (b), (c)의 결과로부터 x, y, z방향 변형량은 패널에서 발생한 열변형이 스트립과 유닛의 열변형량 및 형상을 결정하며, z방향(두께방향) 변형량이 xy평면 방향보다 크게 발생하여 z방향 변형량을 제어하는 것이 중요함을 알 수 있다.
그리고 열변형을 줄이기 위해서는 회로 외층은 얇게, 회로 내층과 SR은 두껍게 하는 것이 바람직하였다. 그러나 유닛의 열변형에는 SR두께가 가장 큰 영향을 미쳤고, 회로 외층 두께의 영향도가 가장 작았다. 또한 유닛의 변형량을 줄이기 위해서는 SR두께는 두껍고, 회로 내층과 PPG는 얇고, 회로 외층은 두껍게 하는 것이 바람직하였다.
그러나 유닛의 열변형에는 SR두께가 가장 큰 영향을 미쳤고, 회로 외층 두께의 영향도가 가장 작았다. 또한 유닛의 변형량을 줄이기 위해서는 SR두께는 두껍고, 회로 내층과 PPG는 얇고, 회로 외층은 두껍게 하는 것이 바람직하였다.
12에 의하면 패널과 스트립의 x방향 변형량에는 외층인 L1, L3의 영향도가 가장 크고 내층인 L2의 영향도가 두 번째로 컸다. 세 번째 영향도는 SR이 컸으며 PPG의 영향도는 무시할 정도로 작았다. x방향 변형량을 최소로 하는 설계인자의 최적조건은 L1, L3 두께는 16 mm, L2 두께는 12 mm, SR 두께는 17 mm로 하고 PPG는 25 mm와 31 mm 모두 가능하였다.
05 mm 증가하였다. 유닛의 열변형 역시 약 -0.15 mm의 수축에서 시작한 후 리플로우 온도가 상승하는 구간에도 수축 변형량이 유지되었다.
14는 z방향 변형량에 미치는 설계인자의 영향도와 변형량을 최소화하는 최적조건을 나타낸 결과로써 패널과 스트립의 열변형에 대한 SR의 최적설계 조건이 x, y 방향과 달라졌다. 즉, SR의 두께가 21 mm일 때가 패널과 스트립의 z방향 변형량을 최소화하는 조건으로 계산되었다. 유닛에 대한 설계인자의 최적설계 조건은 x, y방향과 동일하였으나 외층인 L1, L3층의 영향도는 감소하였다.
이것을 위해 패널 레벨→스트립 레벨→유닛 레벨로 형상이 변할 때 패널의 최종 열변형량이 스트립의 초기 변형량 조건으로, 스트립의 최종 열변형량이 유닛의 초기 변형량 조건으로 설정하였다. 해석결과에 따르면 패널의 열변형이 스트립과 유닛의 열변형량과 형상에 가장 큰 영향을 미치며, 특히 z방향 변형량이 xy평면 방향의 변형량보다 크게 발생하였다.
한편 다구찌법에 의한 열변형에 대한 설계인자의 영향도 분석을 수행하였다. 해석결과에 의하면 패널과 스트립의 열변형에는 회로 외층 두께의 영향도가 가장 크고 PPG 두께의 영향도는 무시할 만큼 작았다. 그리고 열변형을 줄이기 위해서는 회로 외층은 얇게, 회로 내층과 SR은 두껍게 하는 것이 바람직하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모바일 폰의 꾸준한 수요증가는 어디로 연결되는가?	모바일 폰의 꾸준한 수요증가는 Flip Chip Chip Scale Package(FCCSP)의 수요로 연결되고 있는데 모바일 폰의 디자인이 다양화되면서 FCCSP 패키지용 기판도 박판화, 고밀도화, 다양한 사이즈화가 진행되고 있다.1) 이러한 시장환경의 변화로 FCCSP 패키지의 신뢰성 이슈 해결을 위한 연구도 꾸준히 진행되고 있다.
	인쇄회로기판의 열변형에 존재하는 것은?	1) 이러한 시장환경의 변화로 FCCSP 패키지의 신뢰성 이슈 해결을 위한 연구도 꾸준히 진행되고 있다.2) 인쇄회로기판의 열변형은 언더필과 솔더조인트의 박리와 크랙, 솔더 조인트의 미결합 등 기판의 낮은 강성도와 warpage 때문에 발생하는 많은 신뢰성 불량들이 존재하고 있으며,3) 이러한 신뢰성 이슈의 근본적 원인으로 알려져 있다.4-9)
	온도조건에서 수치해석을 위해 설정한 것은?	이것을 위해 패널과 스트립 레벨은 큐어링 온도조건에서, 유닛 레벨은 리플로우 온도조건에서 수치해석을 수행하였다. 이것을 위해 패널 레벨→스트립 레벨→유닛 레벨로 형상이 변할 때 패널의 최종 열변형량이 스트립의 초기 변형량 조건으로, 스트립의 최종 열변형량이 유닛의 초기 변형량 조건으로 설정하였다. 해석결과에 따르면 패널의 열변형이 스트립과 유닛의 열변형량과 형상에 가장 큰 영향을 미치며, 특히 z방향 변형량이 xy평면 방향의 변형량보다 크게 발생하였다.

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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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