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박막 패턴에 의한 기판의 응력 거동
Stress Behavior of Substrate by Thin Film Pattern 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.1, 2020년, pp.8 - 13  

남명우 (혜전대학교 전기과) ,  홍순관 (혜전대학교 전기과)

초록
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IC 패키지와 같이 두께가 수백 마이크로미터 정도로 매우 얇은 기판에서 뒤틀림 불량을 일으키는 가장 큰 원인은 응력이다. 일반적으로 응력은 기판 위에 서로 다른 물질을 적층할 때, 결정구조 및 그에 따른 열팽창 계수의 차이로 인해 발생한다. 본 연구에서는 사각형의 박막 패턴이 적층된 기판에 발생하는 응력의 거동을 수치적으로 분석하였다. 먼저 기판 변위를 구하고, 이를 이용하여 기판 변형률과 응력을 구하였다. 박막 패턴의 가장자리에 인장력이 집중된 경우, 박막 패턴의 가장자리를 중심으로 수직 응력과 전단 응력이 발생한다. 수직 응력은 박막 패턴의 가장자리와 꼭짓점 부근에 발생한다. 전단 응력도 박막 패턴의 가장자리를 중심으로 발생하나 수직 응력과는 달리 꼭짓점 부근에는 나타나지 않는다. 또한 가장자리를 중심으로 전단 응력의 크기와 방향이 바뀌는 것을 확인할 수 있었다. 박막패턴 가장자리 힘이 동일할 때, 수직 응력은 전단 응력에 비해 10배 정도의 값을 나타내었다. 이는 뒤틀림 불량을 일으키는 가장 큰 원인이 수직 응력임을 나타낸다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Stress is the main cause of warpage failure of very thin substrates with thickness of several hundred ㎛, such as IC packages. Stress usually results from differences in crystal structures and corresponding thermal expansion coefficients when depositing different substances on a substrate. In ...

주제어

#Warpage   #Tensile Force   #Normal Stress   #Shear Stress   #IC Package  

표/그림 (12)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 응력이 발생된 IC 패키지를 PCB 기판에 실장하면 PCB 기판에 응력이 전달되어 결국 PCB 기판에도 뒤틀림 불량이 발생된다. 본 논문에서는 기판의 뒤틀림 불량을 줄이는데 활용될 수 있도록 탄성론에 기초하여 기판의 응력 거동을 분석하였다.

가설 설정

  • 기판의 응력 거동을 살펴보기 위해 Fig. 1과 같이 기판 위에 사각형의 박막 패턴이 적층된 구조를 가정하였다. 이때 기판은 탄성률이 일정하고 박막 패턴에 비해 크기가 매우 큰 것으로 가정한다.
  • 본 연구에서는 기판 위에 적층된 박막 패턴이 인장력을 가진 것으로 가정하였다. 그러면 박막 패턴의 가장자리는 Fig.
  • 1과 같이 기판 위에 사각형의 박막 패턴이 적층된 구조를 가정하였다. 이때 기판은 탄성률이 일정하고 박막 패턴에 비해 크기가 매우 큰 것으로 가정한다. 기판과 박막 패턴은 서로 다른 물질이므로 인장력(tensile force) 또는 압축력(compressive force)이 생긴다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
일반적으로 응력은 무엇에 인해 발생하는가? IC 패키지와 같이 두께가 수백 마이크로미터 정도로 매우 얇은 기판에서 뒤틀림 불량을 일으키는 가장 큰 원인은 응력이다. 일반적으로 응력은 기판 위에 서로 다른 물질을 적층할 때, 결정구조 및 그에 따른 열팽창 계수의 차이로 인해 발생한다. 본 연구에서는 사각형의 박막 패턴이 적층된 기판에 발생하는 응력의 거동을 수치적으로 분석하였다.
두께가 얇은 기판에서 특히 문제가 되는 것은? 두께가 얇은 기판은 전자기기의 경박단소화에 도움이 되지만, 신뢰성이나 내구성 면에서는 약점이 된다. 특히 문제가 되는 것은 완성된 IC 패키지에 발생하는 기판 뒤틀림(warpage)이다[3-5]. IC 패키지에는 반도체 칩과 기판을 전기적으로 연결하기 위한 Cu 배선, 사각형의 패드, 솔더 레지스트(solder resist) 패턴 등이 형성되어 있다.
IC 패키지와 같이 두께가 수백 마이크로미터 정도로 매우 얇은 기판에서 뒤틀림 불량을 일으키는 가장 큰 원인은? IC 패키지와 같이 두께가 수백 마이크로미터 정도로 매우 얇은 기판에서 뒤틀림 불량을 일으키는 가장 큰 원인은 응력이다. 일반적으로 응력은 기판 위에 서로 다른 물질을 적층할 때, 결정구조 및 그에 따른 열팽창 계수의 차이로 인해 발생한다.
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참고문헌 (9)

  1. Cheng Hsiang Liu, Jyun Ling Tsai, Hung Hsien Chang, Chang Lun Lu, Shih Ching Chen, " Integrated Process Characterization and Fabrication Challenges for 2.5D IC Packaging Utilizing Silicon Interposer with Backside Via Reveal Process", Proceedings of 2014 Electronic Components&Technology Conference, pp.1628-1634, May 2014. DOI: https://doi.org/10.1109/ECTC.2014.6897513 

  2. John H. Lau, "Recent Advances and New Trends in Flip Chip Technology", J. Electronic Package, Vol.138, Issue3, Sep 2016. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4034037 

  3. W. Lin, "A Feasible Method to Predict Thin Package Actual Warpage Based on an FEM Model Integrated with Empirical Data", Proceedings of IEEE 65th Electronic Components and Technology Conference, May 2015. DOI: https://doi.org/10.1109/ECTC.2015.7159874 

  4. SeonMo Gu, Billy Ahn, MyoungSu Chae, Seng Guan Chow, Gwang Kim and Eric Ouyang, "Impact of Copper Densities of Substrate Layers on the Warpage of IC Packages", Journal of the Microelectronics & Packaging Society, Vol.20, No.4, pp.59-63. 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.6117/kmeps.2013.20.4.059 

    원문보기 상세보기

  5. Y. Sawada, K. Harada, H. Fujioka, "Study of Package Warp Behavior for High Performance Flip-Chip BGA", Microelectronics Reliability, Vol.43, Issue.3, pp.465-471, March 2003. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0026-2714(02)00294-9 

    상세보기 crossref

  6. Cha Gyu Song, Sung-Hoon Choa, "Numerical Study of Warpage and Stress for the Ultra Thin Package", Journal of the Microelectronics & Packaging Society, Vol.17, No.4, pp.49-60, 2010. 

  7. Soon kwan Hong, "An Analysis of the Substrate Displacement by the Thin Film Pattern", Proceedings of KAIS(The Korea Academical-Industrial cooperation Society) Autumn Conference, pp.154-156, Dec. 2015. 

  8. L. D. Landau, E. M. Lifshitz, "Theory of Elasticity", Pergamon Press, 3rd Edition, Chap1, 1976. 

  9. S. Timoshenko, J. N. Goodier, "Theory of Elasticity", McGraw-HILL Book Company, 2nd Edition, Chap1, 1951. 

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