[논문]플립 칩 전자 패키지의 피로 균열이 미치는 열적 기계적 거동 분석

박진형; 이순복

플립 칩 전자 패키지의 피로 균열이 미치는 열적 기계적 거동 분석
Effect analysis of thermal-mechanical behavior on fatigue crack of flip-chip electronic package 원문보기

박진형 (한국과학기술원(KAIST) 기계공학과) , 이순복 (한국과학기술원(KAIST) 기계공학과)

The use of flip-chip type electronic package offers numerous advantages such as reduced thickness, improved environmental compatibility, and downed cost. Despite numerous benefits, flip-chip type packages bare several reliability problems. The most critical issue among them is their electrical performance deterioration upon consecutive thermal cycles attributed to gradual delamination growth through chip and adhesive film interface induced by CTE mismatch driven shear and peel stresses. The electronic package in use is heated continuously by itself. When the crack at a weak site of the electronic package occurs, thermal deformationon the chip side is changed. Therefore, we can measure these micro deformations by using Moire interferometry and find out the crack length.

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문제 정의

PEMI 를 통해 얻은 strain 값은 애매한 경향이 있다. 따라서 본 연구에서는 위상천이 기법을 통해 좀더 정확한 strain 을 값을 얻고자 하였다.
본 연구를 통하여 플립 칩 전자 패키지에 발생된 크랙이 전체 열적 기계적 변형에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 알아보았다. ACF 타입의 패키지는 칩 끝단에서 일어나는 박리가 주요 파손 인자이다.

제안 방법

이는 끝단의 shear strain 의 양에 큰 영향을 받는다. 따라서 다양한 delamination 길이를 가지는 시편들의 chip 끝단의 strain 값을 PEMI 통한 실험에서 얻어내고 비교해보았다.
이러한 변화는 마이크로 단위의 매우 작은 차이이므로 사람의 눈으로는 구별할 수가 없다. 따라서 본 연구에서는 이러한 차이를 미소 변형을 증폭시켜 나타내주는 모아레 간섭계를 이용하였다.
이를 통해 온도에 따른 chip 의 warp 되는 양을 알 수가 있다. 또한 ACF package 는 Tg 온도 이상에서는 stress free 상태를 보여주는데 시편에 따른 이 영역을 알아보았다. In-plane 측정에는 PEMI (Portable Engineering Moiré Interferometry) 장비가 사용되었다.
이를 통해 시편의 변형을 알 수 있으므로 시편격자의 정교한 접합은 매우 중요하다. 본 실험에서는 상온에서 시편격자를 시편의 칩 윗면에 접합하였다. 접합에는 TRABOND F114 에폭시가 이용되었다.
일반적으로 크랙의 길이가 길 때 면 외 변형량인 warpage 가 감소한다고 알려져 있다⁽⁵⁾. 본 연구에서는 또 다른 광학적 측정법인 Fig. 6 과 같은 셋업의 Twyman-Green 간섭계⁽⁶⁾를 이용하여 온도 별 warpage 를 측정해 보았다. Fig.
이러한 박리가 연결부위까지 진전되면 시스템의 파괴를 일으킨다. 본 연구에서는 시편에 -40℃ 에서 125℃ 의 반복적인 열 사이클을 가하였다. 열 하중을 전혀 받지 않는 시편을 SAM 으로 찍어보면 Fig.
이러한 크랙은 칩의 열변형에 미세한 영향을 미친다. 본 연구에서는 이러한 미세한 열변형을 광학적 간섭계로 측정하였다. 면외 열변형은 Twyman-Green 간섭계를 이용하여 측정하였으며 크랙의 길이가 길수록 면외 변형인 warpage 의 값이 작아짐을 알 수 있었다.
열변형량의 측정을 칩의 전체 면뿐만 아니라 칩의 끝단의 크랙이 있는 작은 부분만의 열변형을 측정하여 보았다(Fig. 10). 모아레로 측정한 칩의 끝단의 면적은 1mm×1mm 이다.
온도를 올려가며 크랙이 있는 시편과 크랙이 없는 시편의 열변형량을 측정하였다. 시편을 가열하기 위하여 복사열 방식의 열 가열기가 사용되었다.

대상 데이터

일반적으로 모아레 간섭계에서 1200 lines/mm 간격의 시편 격자를 사용한다. 그리고 광원으로는 광 파장의 길이가 633 nm 인 HeNe 레이저를 사용한다. 이 경우 모아레 간섭계의 기본분해능은 417 nm/fringe 이며 위상천이 시, 16 배의 분해능 향상으로 26 nm/fringe 의 분해능을 가진다⁽⁴⁾.
본 실험에서는 1200 lines/mm 를 갖는 시편격자가 사용되었다. 이는 피치가 833nm 급의 규칙적인 나노 패턴이다.
본 실험에서는 ACF type package 시편이 사용되었다. 시편의 ACF 는 일반적인 폴리머 매트릭스를 가지며 glass transition temperature 는 113℃ 이다.
본 연구에서 사용된 ACF 패키지 시편은 1000μm 박리가 일어나게 되면 전극 부근까지 크랙이 진전하게 되어 결국 시스템의 파괴를 일으킨다.
본 연구에서 사용된 모아레 간섭계는 면내 변위측정이 가능한 2 빔 모아레 간섭계이다. 2 빔 모아레 간섭계 기법의 기본 원리⁽³⁾는 Fig.

이론/모형

열적 변형량의 측정은 Optical method 를 사용하였다. Out-of-plane 의 변형량을 알아보기 위하여 Twyman-Green interferometry 가 사용되었다. 이를 통해 온도에 따른 chip 의 warp 되는 양을 알 수가 있다.
열적 변형량의 측정은 Optical method 를 사용하였다. Out-of-plane 의 변형량을 알아보기 위하여 Twyman-Green interferometry 가 사용되었다.

성능/효과

면외 열변형은 Twyman-Green 간섭계를 이용하여 측정하였으며 크랙의 길이가 길수록 면외 변형인 warpage 의 값이 작아짐을 알 수 있었다. 면내 열변형은 2 빔 모아레 간섭계를 이용하였으며 크랙의 길이가 길수록 열변형량의 큼을 알 수 있었다.
본 연구에서는 이러한 미세한 열변형을 광학적 간섭계로 측정하였다. 면외 열변형은 Twyman-Green 간섭계를 이용하여 측정하였으며 크랙의 길이가 길수록 면외 변형인 warpage 의 값이 작아짐을 알 수 있었다. 면내 열변형은 2 빔 모아레 간섭계를 이용하였으며 크랙의 길이가 길수록 열변형량의 큼을 알 수 있었다.
316μm/fringe 이다. 실험 결과 크랙의 길이가 길때 온도가 증가할수록 warpage 의 값이 더 많이 증가함을 알 수 있다(Fig. 8).
7 과 같다. 실험 결과 크랙이 길이가 길 수록 칩에 대한 구속력이 작아져서 좀더 열변형이 쉽게 되어 전체 열변형량이 크게 된다. 이는 온도가 많이 올라갈수록 열변형량의 차이는 더욱 크게 된다(Fig.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

전자 패키지에서 열응력은 어떻게 발생하는가?

전자 패키지의 내부의 크랙은 보통 열응력에 의해 발생한다. 전자 패키지는 사용 중에 고온의 상태에 놓여있기 때문에 열팽창이 되고 패키지 내부의 각각의 재료의 열팽창 계수가 다르기 때문에 열응력이 발생한다. 오랜 시간 이러한 열응력에 노출된 전자 패키지의 연결 부위는 Fig.

ACF package의 주요 파손 요인은?

In-plane 측정에는 PEMI (Portable Engineering Moiré Interferometry) 장비가2사용되었다. ACF package 의 주요 파손 요인으로는 chip 과 adhesive 의 끝단에서의 delamination 이다. 이는 끝단의 shear strain 의 양에 큰 영향을 받는다.

플립 칩 전자 패키지에 발생된 크랙으로 인한 미세한 열변형을 광학적 간섭계로 측정한 결과 무엇을 알 수 있었나?

본 연구에서는 이러한 미세한 열변형을 광학적 간섭계로 측정하였다. 면외 열변형은 Twyman-Green 간섭계를 이용하여 측정하였으며 크랙의 길이가 길수록 면외 변형인 warpage 의 값이 작아짐을 알 수 있었다. 면내 열변형은 2 빔 모아레 간섭계를 이용하였으며 크랙의 길이가 길수록 열변형량의 큼을 알 수 있었다.

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