[논문]Solid Epoxy를 이용한 패키지 및 솔더 크랙 신뢰성 확보를 위한 실험 및 수치해석 연구

조영민; 좌성훈

doi:10.6117/kmeps.2020.27.1.0055

Solid Epoxy를 이용한 패키지 및 솔더 크랙 신뢰성 확보를 위한 실험 및 수치해석 연구
Experimental and Numerical Analysis of Package and Solder Ball Crack Reliability using Solid Epoxy Material 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.1, 2020년, pp.55 - 65

조영민 (서울과학기술대학교 나노IT디자인 융합기술대학원) , 좌성훈 (서울과학기술대학교 나노IT디자인 융합기술대학원)

초록
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반도체 패키지에서 언더필의 사용은 패키지의 응력 완화 및 습기 방지에 중요할 뿐만 아니라, 충격, 진동 시에 패키지의 신뢰성을 향상시키는 중요한 소재이다. 그러나 최근 패키지의 크기가 커지고, 매우 얇아짐에 따라서 언더필의 사용이 오히려 패키지의 신뢰성을 저하하는 현상이 발견되고 있다. 이러한 이슈를 해결하기 위하여 본 연구에서는 언더필을 대신 할 소재로서 solid epoxy를 이용한 패키지를 개발하여 신뢰성을 향상시키고자 하였다. 개발된 solid epoxy를 스마트 폰의 AP 패키지에 적용하여 열사이클링 신뢰성 시험과 수치해석을 통하여 패키지의 신뢰성을 평가하였다. 신뢰성 향상을 위한 최적의 solid epoxy 소재 및 공정 조건을 찾기 위하여 solid epoxy 의 사용 개수, PCB 패드 타입 및 solid epoxy의 물성 등, 3 개의 인자가 패키지의 신뢰성에 미치는 영향을 고찰하였다. Solid epoxy를 AP 패키지에 적용한 결과 solid epoxy가 없는 경우 보다, solid epoxy를 적용한 경우가 신뢰성이 향상되었다. 또한 solid epoxy를 패키지의 외곽 4곳에 적용한 경우 보다는 6 곳에 적용한 경우가 더 신뢰성이 좋음을 알 수 있었다. 이는 solid epoxy가 패키지의 열팽창에 따른 응력을 완화 시키는 역할을 하여 패키지의 신뢰성이 향상되었음을 의미한다. 또한 PCB 패드 타입에 대한 신뢰성을 평가한 결과 NSMD (non-solder mask defined) 패드를 사용할 경우가 SMD (solder mask defined) 패드 보다 신뢰성이 더 향상됨을 알 수 있었다. NSMD 패드의 경우 솔더와 패드가 접합하는 면적이 더 크기 때문에 구조적으로 안정하여 신뢰성 측면에서 더 유리하기 때문이다. 또한 열팽창계수가 다른 solid epoxy를 적용하여 신뢰성 평가를 한 결과, 열팽창계수가 낮은 solid epoxy를 사용한 경우가 신뢰성이 더 향상됨을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The use of underfill materials in semiconductor packages is not only important for stress relieving of the package, but also for improving the reliability of the package during shock and vibration. However, in recent years, as the size of the package becomes larger and very thin, the use of the underfill shows adverse effects and rather deteriorates the reliability of the package. To resolve these issues, we developed the package using a solid epoxy material to improve the reliability of the package as a substitute for underfill material. The developed solid epoxy was applied to the package of the application processor in smart phone, and the reliability of the package was evaluated using thermal cycling reliability tests and numerical analysis. In order to find the optimal solid epoxy material and process conditions for improving the reliability, the effects of various factors on the reliability, such as the application number of solid epoxy, type of PCB pad, and different solid epoxy materials, were investigated. The reliability test results indicated that the package with solid epoxy exhibited higher reliability than that without solid epoxy. The application of solid epoxy at six locations showed higher reliability than that of solid epoxy at four locations indicating that the solid epoxy plays a role in relieving stress of the package, thereby improving the reliability of the package. For the different types of PCB pad, NSMD (non-solder mask defined) pad showed higher reliability than the SMD (solder mask defined) pad. This is because the application of the NSMD pad is more advantageous in terms of thermomechanical stress reliability because the solderpad bond area is larger. In addition, for the different solid epoxy materials with different thermal expansion coefficients, the reliability was more improved when solid epoxy having lower thermal expansion coefficient was used.

주제어

표/그림 (27)

그림 Fig. 1. Application processor packaging process using solid epoxy material through SMT process
그림 Fig. 2. Photograph of solid epoxy inside AP package after reflow process.
그림 Fig. 3. Test PCB assembly mounted with AP package and electric components.
그림 Fig. 4. Schematic drawing of PCB sample with 12 stacked layers.
그림 Fig. 5. Schematic drawing of AP and memory chip package.
그림 Fig. 6. Schematic drawing of different PCB pad types which are SMD pad and NSMD pad.
표 Table 1. Different solid epoxy properties used in the simulation (Type A and Type B)
그림 Fig. 7. Temperature profile used for temperature cycling test.
그림 Fig. 8. PCB numerical modelling for package stress analysis in temperature cycling.
표 Table 2. Material properties of test vehicle PCB model used in the numerical simulation
표 Table 3. Material properties used in the simulation for application processor package
표 Table 4. PCB Prepreg properties used in the simulation
그림 Fig. 9. SEM image of cracks generated in the solder ball during temperature cycling test without solid epoxy.
그림 Fig. 10. Solid epoxy modelling for package solder ball stress analysis by temperature cycling test.
그림 Fig. 11. SEM image of no crack generated in the solder ball during temperature cycling test using solid epoxy.
그림 Fig. 12. Simulated PCB warpage map after thermal temperature cycling test.
그림 Fig. 13. Stress distribution map of AP solder balls without solid epoxy in temperature cycling.
표 Table 5. Results of temperature cycling test for different numbers of solid epoxy materials
표 Table 6. Results of temperature cycling test for different PCB pad types
표 Table 7. Results of temperature cycling test for different solid epoxy types
그림 Fig. 14. Detailed stress distribution of maximum stress solder ball with no solid epoxy in temperature cycling.
그림 Fig. 15. Maximum von Mises stress of the solder balls during temperature cycling tests for different numbers of solid epoxy materials.
그림 Fig. 16. Stress distribution of the solder balls in AP package during temperature cycling tests when solid epoxy was applied on four locations.
그림 Fig. 17. Stress distribution map of solder ball during temperature cycling tests when solid epoxy was applied on four locations.
그림 Fig. 18. Stress distribution of the solder balls in AP package during temperature cycling tests when solid epoxy was applied on six locations
그림 Fig. 19. Stress distribution map of solder ball during temperature cycling tests when solid epoxy was applied on six locations.
그림 Fig. 20. Stress distribution map and maximum stress of solder ball for different pad types during temperature cycling tests.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 패키지의 응력을 완화시키고, 충격 및 진동 시의 패키지의 신뢰성 향상을 위하여 기존에 많이 사용되고 있는 언더필을 대신 할 소재로서 solid epoxy를 이용한 패키지를 개발하였다. Solid epoxy를 AP 패키지에 적용하여 열사이클링 신뢰성 시험을 통하여 신뢰성을 평가하였고, 또한 수치해석을 통하여 패키지의 응력과 변형을 고찰하였다.
연구에서는 solid epoxy를 AP 패키지에 적용하였을 때에 패키지의 신뢰성을 열사이클링 신뢰성 시험을 통하여 검증하였다. 특히 신뢰성 시험 시, AP 패키지의 주요 파괴 모드인 솔더 볼의 크랙 발생 관점에서 신뢰성을 평가하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 연구에서는 언더필 대신 solid epoxy라는 새로운 재료를 사용하여 패키지 및 솔더 볼의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 새로운 기술을 개발하였다. 기존의 언더필을 사용하는 공정에서는 언더필 액상을 모세관 방식을 통해 패키지와 PCB 사이의 솔더 볼 전체 영역에 주입시킨 후 경화를 시킨다.
또한 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 최적의 solid epoxy 공정 조건, 소재 및 구조에 관하여 열사이클 신뢰성 시험과 수치 유한요소 해석을 이용하여 고찰하였다. 즉, solid epoxy의 사용 개수, 패키지와 PCB를 연결하는 패드(pad) 타입의 종류 및 solid epoxy의 물성이 패키지의 신뢰성에 미치는 영향을 연구하였다.
유한요소 해석에서 요소(element)의 개수는 831,000개, 절점 (node)의 개수는 658,000개를 사용하였다. 특히 응력이 집중되는 솔더 볼 및 PCB의 마이크로 비아 부분을 조밀하게 메쉬(fine mesh)하여 해석 결과의 정확성을 높이고자 하였다. Fig.

가설 설정

소재의 물성은 기존 문헌에서 사용된 대표 값 또는 소재 기업에서 제공된 데이터를 사용하였다. 모든 소재는 초기에 잔류응력이 없는 상태로 가정하였으며, 각 소재 들 간의 박리(delamination) 현상은 발생하지 않는다고 가정하였다. 모든 재료는 탄성 영역 내에 있다고 가정하였으며, 구리는 소성 변형을 고려하기 위하여 탄소성(elastoplastic) 재료로 모델링 하고, 등방성 경화 모델(isotropic hardening model)을 사용하였다.
모든 재료는 탄성 영역 내에 있다고 가정하였으며, 구리는 소성 변형을 고려하기 위하여 탄소성(elastoplastic) 재료로 모델링 하고, 등방성 경화 모델(isotropic hardening model)을 사용하였다.
7의 열사이클링 신뢰성 시험의 온도 조건과 동일하게 상온에서 125℃로 상승한 후 -40℃로 온도가 낮아지는 조건으로 패키지의 휨 및 응력을 해석하였다 변위 경계조건은 전체 모델의 대칭이 시작하는 부분의 중심점과 z 축 방향의 일부 절점들을 x, y, z 축으로 모두 구속하여 해석을 수행하였다. 제작된 PCB 어셈블리 샘플이 신뢰성 시험 전의 상온 상태에서 응력이 없다고 가정하였으며, 따라서 해석에서 응력이 없다고 가정하는 온도인 스트레스-프리 (stress-free) 조건의 온도는 상온(25℃)으로 설정하였다

제안 방법

본 연구에서는 열기계적 응력으로 인한 AP 패키지의 신뢰성 이슈를 고찰하기 위하여 JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) 기준에 근간한 열사이클링 신뢰성 실험 방법(JESD22-A104E)를 사용하였다. JEDEC 신뢰성 실험 기준에 근간으로 해서 Fig. 7과 같이 신뢰성 시험의 온도 구간은 -40℃에서 125℃의 온도를 44분 주기로 하여 1사이클을 이루고, 전체 100사이클 단위로 동작 검증을 수행하고, 400사이클 이후에는 50사이클 주기로 패키지의 파괴 유무를 평가하였다. 신뢰성 시험 중에 AP 칩에 전원이 켜지고 디스플레이 화면이 들어오는 경우를 정상 동작으로 정의하였으며, 전원이 안 켜지거나 화면이 안 들어오는 경우에는 파괴로 간주하고 실험을 중단하였다.
수치해석은 상용 해석 프로그램인 ANSYS Workbench 19.R1를 사용하였으며, 수치해석 모델은 8절점 3차원 요소를 사용한 3D (3-dimensional) 모델링을 적용하였다. 유한요소 해석에서 요소(element)의 개수는 831,000개, 절점 (node)의 개수는 658,000개를 사용하였다.
16)와 동일하게 패키지 내부에 위치에 있으며 및 솔더 볼에 발생한 최대응력의 위치도 동일하게 솔더의 상부에 위치하고 있다. SMD와 NSMD 타입의 패드를 사용하여 패키징한 샘플에 대해서 수치해석을 진행하였다. 최대응력은 Fig.
Solid epoxy의 물성이 패키지의 신뢰성에 미치는 영향을 고찰하기 위하여, 물성이 다른 두가지 종류의 solid epoxy를 각각 사용하여 제작하였다. Solid epoxy A 타입과 B 타입의 solid epoxy를 실장한 샘플을 제작하여 열사이클링 신뢰성 실험을 진행하였다. Solid epoxy A타입과 B 타입의 물성은 Table 1에 나타나있다.
Solid epoxy 적용 개수에 따른 응력에 대한 해석을 진행하였다. Solid epoxy가 적용되지 않은 경우와 4곳 및 6곳에 적용된 샘플에 대해서 솔더 볼에 발생된 최대 응력을 해석한 결과가 Fig.
본 연구에서는 패키지의 응력을 완화시키고, 충격 및 진동 시의 패키지의 신뢰성 향상을 위하여 기존에 많이 사용되고 있는 언더필을 대신 할 소재로서 solid epoxy를 이용한 패키지를 개발하였다. Solid epoxy를 AP 패키지에 적용하여 열사이클링 신뢰성 시험을 통하여 신뢰성을 평가하였고, 또한 수치해석을 통하여 패키지의 응력과 변형을 고찰하였다. 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 최적의 solid epoxy 소재 및 공정 조건을 찾기 위하여 solid epoxy 사용 개수, PCB 패드 타입 및 물성이 다른 solid epoxy의 3가지 인자에 대해서 신뢰성 평가를 수행하였다.
PCB를 제작한 후에 SMT 공정을 통해 AP 패키지와 여러 전자 부품들을 실장하여 테스트 샘플을 만든다. Solid epoxy를 적용한 경우에는 solid epoxy를 AP 패키지 외곽 부분의 4곳에 적용한 샘플과 6곳에 적용한 샘플을 각각 만들어 비교하였다. 한편 solid epoxy가 없은 경우와 비교하기 위하여 solid epoxy가 없는 PCB 어셈블리를 별도로 제작하여 신뢰성을 비교하였다.
별도의 NSMD 패드 샘플을 제외하고는 모든 샘플은 SMD 패드를 기본 샘플로 제작하였다. Solid epoxy의 물성이 패키지의 신뢰성에 미치는 영향을 고찰하기 위하여, 물성이 다른 두가지 종류의 solid epoxy를 각각 사용하여 제작하였다. Solid epoxy A 타입과 B 타입의 solid epoxy를 실장한 샘플을 제작하여 열사이클링 신뢰성 실험을 진행하였다.
다음으로는 PCB 패드 타입을 SMD와 NSMD로 각각 PCB를 제작하여 신뢰성을 비교하였다. 기본 패키지 모델, 즉 solid epoxy 4곳과 A 타입의 solid epoxy를 적용한 샘플에 대해서 패드 타입을 변경하여 제작 하였고, 열사이클링 실험을 진행하여 파괴 사이클을 관찰하였다. 신뢰성 실험 결과는 Table 6과 같이 SMD 타입을 사용할 경우 450사이클에서 파괴가 발생한 반면, NSMD 타입 샘플의 경우 700사이클에서 파괴가 발생하였다.
다음으로는 PCB 패드 타입을 SMD와 NSMD로 각각 PCB를 제작하여 신뢰성을 비교하였다. 기본 패키지 모델, 즉 solid epoxy 4곳과 A 타입의 solid epoxy를 적용한 샘플에 대해서 패드 타입을 변경하여 제작 하였고, 열사이클링 실험을 진행하여 파괴 사이클을 관찰하였다.
이는 Table 6의 신뢰성 실험 결과와도 잘 일치하는 결과이다. 다음은 물성이 다른 solid epoxy를 적용한 경우에 대하여 응력을 해석하였다. 이때 기본 패키지 모델인 solid epoxy 4곳을 적용하였고, 패드는 SMD 타입이었다.
한편 solid epoxy가 없은 경우와 비교하기 위하여 solid epoxy가 없는 PCB 어셈블리를 별도로 제작하여 신뢰성을 비교하였다. 또한 PCB 패드 타입에 대한 영향을 고찰하기 위하여, SMD (solder mask defined)와 NSMD (non-solder mask defined) 패드를 적용한 PCB를 각각 제작하여 테스트 샘플을 제작하였다. Fig.
본 연구에서는 PCB에 AP 패키지 및 각 전자 부품들을 실장한 PCB 어셈블리를 제작한 후, 열사이클링 신뢰성 시험을 수행하였다. 또한 solid epoxy의 적용 개수, PCB 패드 타입과 solid epoxy의 물성을 고려한 총 3개의 인자가 AP 패키지 및 솔더 볼의 신뢰성에 미치는 영향을 고찰하였다.
특히 신뢰성 시험 시, AP 패키지의 주요 파괴 모드인 솔더 볼의 크랙 발생 관점에서 신뢰성을 평가하였다. 또한 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 최적의 solid epoxy 공정 조건, 소재 및 구조에 관하여 열사이클 신뢰성 시험과 수치 유한요소 해석을 이용하여 고찰하였다. 즉, solid epoxy의 사용 개수, 패키지와 PCB를 연결하는 패드(pad) 타입의 종류 및 solid epoxy의 물성이 패키지의 신뢰성에 미치는 영향을 연구하였다.
마지막으로 기본 패키지 모델에서 물성이 각기 다른 solid epoxy를 사용하여 패키징한 후에 열사이클링 실험을 실시하여 비교하였다. Table 7과 같이 다른 물성을 갖는 solid epoxy 샘플의 신뢰성 결과를 평가한 결과, B 타입의 solid epoxy를 사용한 경우 600사이클에서 패키지의 파괴가 발생한 반면, A 타입의 solid epoxy를 사용할 경우 450사이클에서 패키지의 파괴가 발생하였다.
본 연구에서는 PCB에 AP 패키지 및 각 전자 부품들을 실장한 PCB 어셈블리를 제작한 후, 열사이클링 신뢰성 시험을 수행하였다. 또한 solid epoxy의 적용 개수, PCB 패드 타입과 solid epoxy의 물성을 고려한 총 3개의 인자가 AP 패키지 및 솔더 볼의 신뢰성에 미치는 영향을 고찰하였다.
해석의 결과로서 휨의 크기 및 등가응력인 von Mises 응력을 각각 분석하였다. 수치해석에서 solid epoxy의 형상은 리풀로우 공정을 하기 전인 프린트된 형태로 해석하였다. 이는 리풀로우 과정을 거치면서 solid epoxy가 녹으면, 형태가 다양하게 변하기 때문이다.
이는 리풀로우 과정을 거치면서 solid epoxy가 녹으면, 형태가 다양하게 변하기 때문이다. 수치해석에서의 열하중 조건은 Fig. 7의 열사이클링 신뢰성 시험의 온도 조건과 동일하게 상온에서 125℃로 상승한 후 -40℃로 온도가 낮아지는 조건으로 패키지의 휨 및 응력을 해석하였다 변위 경계조건은 전체 모델의 대칭이 시작하는 부분의 중심점과 z 축 방향의 일부 절점들을 x, y, z 축으로 모두 구속하여 해석을 수행하였다. 제작된 PCB 어셈블리 샘플이 신뢰성 시험 전의 상온 상태에서 응력이 없다고 가정하였으며, 따라서 해석에서 응력이 없다고 가정하는 온도인 스트레스-프리 (stress-free) 조건의 온도는 상온(25℃)으로 설정하였다
7과 같이 신뢰성 시험의 온도 구간은 -40℃에서 125℃의 온도를 44분 주기로 하여 1사이클을 이루고, 전체 100사이클 단위로 동작 검증을 수행하고, 400사이클 이후에는 50사이클 주기로 패키지의 파괴 유무를 평가하였다. 신뢰성 시험 중에 AP 칩에 전원이 켜지고 디스플레이 화면이 들어오는 경우를 정상 동작으로 정의하였으며, 전원이 안 켜지거나 화면이 안 들어오는 경우에는 파괴로 간주하고 실험을 중단하였다. 패키지의 파괴는 주로 솔더 볼의 크랙 발생으로 인하여 발생되나, 혹시 다른 요인으로 인하여 파괴가 발생할 가능성도 있기 때문에 파괴된 패키지의 샘플을 SEM(Scanning Electron Microscope)를 이용하여 단면 분석을 통하여 솔더 볼의 크랙 발생 및 파괴 모드 등을 최종적으로 확인 하였다.
열사이클링 실험 시에 패키지 및 솔더 볼에서 발생한 응력 및 변형율을 예측하고, 최대 응력이 발생하는 위치 등을 파악하기 위하여 3D 유한요소 수치해석을 진행하였다. Fig.
우선 AP패키지에 언더필 및 solid epoxy가 없이 제작한 샘플을 열사이클링 시험을 진행하여 파괴 여부를 확인하였고, 특히 솔더 볼 크랙의 발생 유무 및 발생하는 위치를 확인하였다. Solid epoxy가 없이 제작한 샘플의 경우 400사이클에서 파괴가 발생하였다.
10과 같이 AP 패키지 외곽의 4곳과 6곳에 각각 실장하여 비교 실험하였다. 우선 신뢰성 실험 전에 solid epoxy를 적용하였을 때 솔더의 크랙 발생 등이 없이 정상적으로 패키지 공정이 진행되었는지를 확인하기 위하여 정상 동작하는 샘플의 단면을 SEM으로 측정하였다. Fig.
최대 응력은 패키지의 최외곽 부분에 발생함을 알 수 있다. 최대 응력이 발생한 부분에 대해서 상세 솔더 볼 모델링을 진행하여 솔더 볼에 발생하는 응력을 해석하였다. Fig.
따라서 기본 패키지 샘플 (test vehicle)은 solid epoxy를 4곳에 적용하고, SMD 패드 및 A 타입의 solid epoxy를 사용하여 제작하였다. 테스트 샘플은 실제로 AP가 동작하는 샘플을 제작하였고, 열사이클링 챔버(chamber) 안에 PCB 어셈블리를 저장한 뒤, 열사이클링 신뢰성 시험을 수행하여 각 조건에 대한 신뢰성 평가를 수행하였다.
연구에서는 solid epoxy를 AP 패키지에 적용하였을 때에 패키지의 신뢰성을 열사이클링 신뢰성 시험을 통하여 검증하였다. 특히 신뢰성 시험 시, AP 패키지의 주요 파괴 모드인 솔더 볼의 크랙 발생 관점에서 신뢰성을 평가하였다. 또한 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 최적의 solid epoxy 공정 조건, 소재 및 구조에 관하여 열사이클 신뢰성 시험과 수치 유한요소 해석을 이용하여 고찰하였다.
Solid epoxy를 AP 패키지에 적용하여 열사이클링 신뢰성 시험을 통하여 신뢰성을 평가하였고, 또한 수치해석을 통하여 패키지의 응력과 변형을 고찰하였다. 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 최적의 solid epoxy 소재 및 공정 조건을 찾기 위하여 solid epoxy 사용 개수, PCB 패드 타입 및 물성이 다른 solid epoxy의 3가지 인자에 대해서 신뢰성 평가를 수행하였다.
신뢰성 시험 중에 AP 칩에 전원이 켜지고 디스플레이 화면이 들어오는 경우를 정상 동작으로 정의하였으며, 전원이 안 켜지거나 화면이 안 들어오는 경우에는 파괴로 간주하고 실험을 중단하였다. 패키지의 파괴는 주로 솔더 볼의 크랙 발생으로 인하여 발생되나, 혹시 다른 요인으로 인하여 파괴가 발생할 가능성도 있기 때문에 파괴된 패키지의 샘플을 SEM(Scanning Electron Microscope)를 이용하여 단면 분석을 통하여 솔더 볼의 크랙 발생 및 파괴 모드 등을 최종적으로 확인 하였다. 시험 샘플의 개수는 각 조건별로 10개이었으며, 10개 중 하나라도 파괴가 발생하면 파괴로 간주하였다.
Solid epoxy를 적용한 경우에는 solid epoxy를 AP 패키지 외곽 부분의 4곳에 적용한 샘플과 6곳에 적용한 샘플을 각각 만들어 비교하였다. 한편 solid epoxy가 없은 경우와 비교하기 위하여 solid epoxy가 없는 PCB 어셈블리를 별도로 제작하여 신뢰성을 비교하였다. 또한 PCB 패드 타입에 대한 영향을 고찰하기 위하여, SMD (solder mask defined)와 NSMD (non-solder mask defined) 패드를 적용한 PCB를 각각 제작하여 테스트 샘플을 제작하였다.

대상 데이터

모든 재료는 탄성 영역 내에 있다고 가정하였으며, 구리는 소성 변형을 고려하기 위하여 탄소성(elastoplastic) 재료로 모델링 하고, 등방성 경화 모델(isotropic hardening model)을 사용하였다. PCB 프리프레그의 물성은 FR4 소재이며, 프리프레그, 솔더 리지스트는 이방성 물질(orthotropic material)로 해석하였다. 해석의 결과로서 휨의 크기 및 등가응력인 von Mises 응력을 각각 분석하였다.
3은 본 연구에 사용된 AP 패키지가 장착된 PCB 어셈블리 샘플의 사진이다. PCB는 FR4 타입의 PCB이며, Fig. 4와 같이 적층 구조를 가지는 일반적인 HDI (high density interconnection) 공법의 12층의 다층 기판으로 제작하였다. Fig.
AP 패키지와 메모리 패키지는 SAC305 솔더 볼을 이용하여 연결된다. PoP 패키지에 사용된 솔더 볼의 직경은 260 mm이며, 솔더와 솔더의 간격은 400 mm이였다. 한편 AP 패키지의 크기는 12.
반면에 NSMD패드는 실제 원하는 사이즈의 패드를 동박 크기에 맞게 에칭하여 제작할 수 있다. SMD 패드 및 NSMD 패드의 크기는 각각 280 m, 200 mm이였으며, 구리 패드의 두께는 25 m이다. 또한 솔더 레지스트의 크기는 200 mm이였다
Solid epoxy A타입과 B 타입의 물성은 Table 1에 나타나있다. 기본 패키지 샘플은 A 타입의 solid epoxy를 적용하여 제작하였다. 따라서 기본 패키지 샘플 (test vehicle)은 solid epoxy를 4곳에 적용하고, SMD 패드 및 A 타입의 solid epoxy를 사용하여 제작하였다.
다음으로 solid epoxy를 Fig. 10과 같이 AP 패키지 외곽의 4곳과 6곳에 각각 실장하여 비교 실험하였다. 우선 신뢰성 실험 전에 solid epoxy를 적용하였을 때 솔더의 크랙 발생 등이 없이 정상적으로 패키지 공정이 진행되었는지를 확인하기 위하여 정상 동작하는 샘플의 단면을 SEM으로 측정하였다.
기본 패키지 샘플은 A 타입의 solid epoxy를 적용하여 제작하였다. 따라서 기본 패키지 샘플 (test vehicle)은 solid epoxy를 4곳에 적용하고, SMD 패드 및 A 타입의 solid epoxy를 사용하여 제작하였다. 테스트 샘플은 실제로 AP가 동작하는 샘플을 제작하였고, 열사이클링 챔버(chamber) 안에 PCB 어셈블리를 저장한 뒤, 열사이클링 신뢰성 시험을 수행하여 각 조건에 대한 신뢰성 평가를 수행하였다.
AP 패키지는 PCB 패드와 솔더 볼을 통해 PCB와 연결 된다. 사용된 솔더는 직경이 250 m인 SAC305 솔더이다. 솔더와 솔더 간의 간격(pitch)은 350 mm 이다.
유한요소 해석에서 사용된 기본 PCB 모델에 대한 각 소재들의 물성이 Table 2에 나타나 있으며, AP 패키지의 각 소재의 물성은 Table 3 및 Table 4에 나타나 있다. 소재의 물성은 기존 문헌에서 사용된 대표 값 또는 소재 기업에서 제공된 데이터를 사용하였다. 모든 소재는 초기에 잔류응력이 없는 상태로 가정하였으며, 각 소재 들 간의 박리(delamination) 현상은 발생하지 않는다고 가정하였다.
패키지의 파괴는 주로 솔더 볼의 크랙 발생으로 인하여 발생되나, 혹시 다른 요인으로 인하여 파괴가 발생할 가능성도 있기 때문에 파괴된 패키지의 샘플을 SEM(Scanning Electron Microscope)를 이용하여 단면 분석을 통하여 솔더 볼의 크랙 발생 및 파괴 모드 등을 최종적으로 확인 하였다. 시험 샘플의 개수는 각 조건별로 10개이었으며, 10개 중 하나라도 파괴가 발생하면 파괴로 간주하였다.
R1를 사용하였으며, 수치해석 모델은 8절점 3차원 요소를 사용한 3D (3-dimensional) 모델링을 적용하였다. 유한요소 해석에서 요소(element)의 개수는 831,000개, 절점 (node)의 개수는 658,000개를 사용하였다. 특히 응력이 집중되는 솔더 볼 및 PCB의 마이크로 비아 부분을 조밀하게 메쉬(fine mesh)하여 해석 결과의 정확성을 높이고자 하였다.
다음은 물성이 다른 solid epoxy를 적용한 경우에 대하여 응력을 해석하였다. 이때 기본 패키지 모델인 solid epoxy 4곳을 적용하였고, 패드는 SMD 타입이었다. 최대 응력이 걸리는 부분은 두 샘플 모두 솔더 볼의 상부이다.

데이터처리

PCB 프리프레그의 물성은 FR4 소재이며, 프리프레그, 솔더 리지스트는 이방성 물질(orthotropic material)로 해석하였다. 해석의 결과로서 휨의 크기 및 등가응력인 von Mises 응력을 각각 분석하였다. 수치해석에서 solid epoxy의 형상은 리풀로우 공정을 하기 전인 프린트된 형태로 해석하였다.

이론/모형

본 연구에서는 열기계적 응력으로 인한 AP 패키지의 신뢰성 이슈를 고찰하기 위하여 JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council) 기준에 근간한 열사이클링 신뢰성 실험 방법(JESD22-A104E)를 사용하였다. JEDEC 신뢰성 실험 기준에 근간으로 해서 Fig.

성능/효과

특히 스마트폰에 사용되는 AP (application processor) 반도체 칩의 성능 및 속도도 높아지고 있으며, 이에 따라 AP 칩에서 열이 많이 발생하고 있다.¹⁾ AP 칩에 열이 많이 발생하면 장기적으로 AP의 칩의 성능 및 신뢰성에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. AP 칩은 패키징되어 있으며 솔더 볼(solder ball)을 통하여 PCB (printed circuit board)와 접합 및 연결되어 있다.
특히 제조공정 및 여러 신뢰성 시험 환경에서 소재들의 열팽창계수의 차이로 인하여 다양한 신뢰성 문제가 발생할 수 있으며, 열기계적 응력(thermomechanical stress)으로 인한 신뢰성 문제가 제일 심각하다.^2,3) 열기계적 응력으로 인하여 PCB 및 AP 패키지에 휨(warpage)이 발생하며, 궁극적으로 솔더 볼의 크랙(crack) 발생으로 인한 패키지의 파괴가 발생할 수 있다.^4-6)
따라서 NSMD의 경우 접합면적이 증가하고, 측면의 구리 패드를 감싸면서 접합되기 때문에 구조적으로 더 안정적임을 알 수 있다. 결과적으로 NSMD 타입의 패키지를 사용할 경우 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
B 타입 solid epoxy의 열팽창계수가 Tg후에 215 ppm/℃이고, A 타입은 265 ppm/℃ 이다. 따라서열팽창계수가적은 epoxy를사용할경우 CTE mismatch로 인한 AP 패키지 및 솔더 볼에 걸리는 열기계적 응력이 낮기 때문에, B 타입의 solid epoxy를 사용할 경우 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.
이는 solid epoxy가 패키지의 열팽창에 따른 응력을 완화 및 분산시켜 패키지의 신뢰성을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 SMD와 NSMD 패드 타입에 대한 신뢰성을 평가한 결과 NSMD 패드를 사용할 경우 신뢰성이 더 향상됨을 알 수 있었다. 이는 NSMD 패드의 경우 솔더와 패드가 접합하는 면적이 더 크기 때문에 열기계적 응력에 대한 신뢰성 측면에서 더 유리하기 때문이다.
이는 Table 5의 열사이클링 신뢰성 시험 결과와 잘 일치하는 결과이며, 신뢰성 시험 후에 주로 솔더의 파괴에 의하여 패키지가 파괴됨을 알 수 있다. 또한 solid epoxy의 사용으로 인하여 패키지 솔더들의 응력을 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다. Fig.
이는 NSMD 패드의 경우 솔더와 패드가 접합하는 면적이 더 크기 때문에 열기계적 응력에 대한 신뢰성 측면에서 더 유리하기 때문이다. 또한 물성이 다른 solid epoxy를 적용하여 신뢰성 평가를 한 결과, 열팽창계수가 적은 solid epoxy를 사용한 경우가 신뢰성이 더 높았다. 수치해석에 의한 응력해석 결과도 신뢰성 시험 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다.
경화 공정 후에 solid epoxy가 AP 패키지 하부로 침투한 상태를 나타내고 있다. 사진에서 보는 봐와 같이 solid epoxy가 AP 패키지 외곽 부분으로 잘 침투하였음을 알 수 있었다. 그러나 solid epoxy는 솔더 볼 내부에는 침투하지 않았음을 알 수 있다.
또한 물성이 다른 solid epoxy를 적용하여 신뢰성 평가를 한 결과, 열팽창계수가 적은 solid epoxy를 사용한 경우가 신뢰성이 더 높았다. 수치해석에 의한 응력해석 결과도 신뢰성 시험 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다.
또한 solid epoxy를 4곳에 적용한 경우 보다는 6곳에 적용한 경우가 더 신뢰성이 좋음을 알 수 있었다. 이는 solid epoxy가 패키지의 열팽창에 따른 응력을 완화 및 분산시켜 패키지의 신뢰성을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 SMD와 NSMD 패드 타입에 대한 신뢰성을 평가한 결과 NSMD 패드를 사용할 경우 신뢰성이 더 향상됨을 알 수 있었다.
SMD와 NSMD 타입의 패드를 사용하여 패키징한 샘플에 대해서 수치해석을 진행하였다. 최대응력은 Fig. 20과같이 솔더 볼의 상부에 걸리며, 최대 von Mises 응력은 각각 17.2, 15.1 MPa로써 NSMD 패드를 적용한 샘플의 응력이 SMD 샘플을 적용한 샘플의 응력보다 적음을 알 수 있었다. 이는 Table 6의 신뢰성 실험 결과와도 잘 일치하는 결과이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	언더필이란 무엇인가?	반도체 패키지에서 언더필의 사용은 패키지의 응력 완화 및 습기 방지에 중요할 뿐만 아니라, 충격, 진동 시에 패키지의 신뢰성을 향상시키는 중요한 소재이다. 그러나 최근 패키지의 크기가 커지고, 매우 얇아짐에 따라서 언더필의 사용이 오히려 패키지의 신뢰성을 저하하는 현상이 발견되고 있다.
	열기계적응력의 문제점은 무엇인가?	특히 제조공정 및 여러 신뢰성 시험 환경에서 소재들의 열팽창계수의 차이로 인하여 다양한 신뢰성 문제가 발생할 수 있으며, 열기계적응력(thermomechanical stress)으로인한신뢰성 문제가 제일 심각하다.2,3) 열기계적 응력으로 인하여 PCB 및 AP 패키지에 휨(warpage)이 발생하며, 궁극적으로 솔더 볼의 크랙(crack) 발생으로 인한 패키지의 파괴가 발생할 수 있다.4-6)
	언더필의 한계는 무엇인가?	반도체 패키지에서 언더필의 사용은 패키지의 응력 완화 및 습기 방지에 중요할 뿐만 아니라, 충격, 진동 시에 패키지의 신뢰성을 향상시키는 중요한 소재이다. 그러나 최근 패키지의 크기가 커지고, 매우 얇아짐에 따라서 언더필의 사용이 오히려 패키지의 신뢰성을 저하하는 현상이 발견되고 있다. 이러한 이슈를 해결하기 위하여 본 연구에서는 언더필을 대신 할 소재로서 solid epoxy를 이용한 패키지를 개발하여 신뢰성을 향상시키고자 하였다.

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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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