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항나 환
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패키지의휨현상은일반적으로패키지의 몰딩과정에서큐어링 과냉각공정중에발생하며 그이유는패키 지의여러재질들의열팽창계수의차에의하여발생된 열응력때문이다 패키지의휨현상은장기신뢰성에 영향을미치게된다 또한과도한휨현상은칩과패키 지의조립과정 즉 혹은 과정에서패키 지의접합이어렵고 또한패키지와마더보드사이의솔더조인트의접촉불량이발생할가능성이많으며

1 특집 : 3D 마이크로시스템패키징및장비 Warpage Study of Ultra Thin Package Used in Mobile Devices Cha-Gyu Song, Kyoung-Ho Kim and Sung-Hoon Choa 1. 서론 모바일제품에사용되는패키지는더작고 얇은동 시에고성능 다기능을요구하고있다 특히패키지두 께의감소가지속적으로요구되기때문에패키지의각 재료 즉실리콘칩 몰드 기판등의두께가계 속얇아지고있다 패키지의두께및각사용된재료의 두께가얇아지면서여러가지신뢰성문제가발생할수 있다 특히패키지의두께가얇아지게되면패키지 의휨현상은패키지의신뢰성뿐만아니라공정상의여 러가지문제를발생시킬수있다 패키지의휨현상은일반적으로패키지의 몰딩과정에서큐어링 과냉각공정중에발생하며 그이유는패키 지의여러재질들의열팽창계수의차에의하여발생된 열응력때문이다 패키지의휨현상은장기신뢰성에 영향을미치게된다 또한과도한휨현상은칩과패키 지의조립과정 즉 혹은 과정에서패키 지의접합이어렵고 또한패키지와마더보드사이의솔더조인트의접촉불량이발생할가능성이많으며 이는공정의수율을저하하는중요한요소가되고있다 특히모바일기기에사용되는초박형패키지의 경우휨현상이공정의중요한이슈로대두되고있다 패키지의휨현상은패키지의구조 패키지재료의물 성및공정조건에좌우된다 따라서적절한패키지 재료의선택과패키지구조가필요하다 특히새로운 패키지개발에앞서 패키지에서발생되는신뢰성문제 를예측하고패키지의휨현상과응력분포등을예측하는신뢰성설계기술의확보가필수적이다 본연구에서는현재모바일기기에주로사용되고있 는 및 기술을이용한 패키지의패키지에대하여휨 의경향을유한요소해석을이용하여분석 및비교하였다 휨에영향을줄수있는여러중요인 자들 즉 몰드의두께및물성 실리콘다이의 두께와크기 기판의두께및물성등이휨현상에미 치는영향을고찰하였다 2. 유한요소해석 초박형패키지들의휨특성을분석하기위해 를사용하여유한요소해석을수행하였다 표 은본연 Schematic drawing of Model Schematic drawing of Model Schematic drawing of Model Schematic drawing of Model

구에서사용된패키지들의개략도와치수를명시하고있다 패키지들중에 구조는실제모바일기기에적용되고있는동일한치수로모델링되었다 각패키지들의크기는가로 세로 로고정되어있고 두께는특성에따라다르게모델링되었다 표 의각패키지들의구조는 기판위에실리콘다이 가접합되어 로몰딩되었다 는실리콘다이가한층으로이루어진구조이며 는 개의실리콘다이가적층된구조로이루어져있다 구조의경우

2 구에서사용된패키지들의개략도와치수를명시하고있다 패키지들중에 구조는실제모바일기기에적용되고있는동일한치수로모델링되었다 각패키지들의크기는가로 세로 로고정되어있고 두께는특성에따라다르게모델링되었다 표 의각패키지들의구조는 기판위에실리콘다이 가접합되어 로몰딩되었다 는실리콘다이가한층으로이루어진구조이며 는 개의실리콘다이가적층된구조로이루어져있다 구조의경우 기판과실리콘다이가솔더볼 로접합되어있고 그사이에언더필재료가채워져있다 는 기판위에하부다이가솔더볼로접합되어있고 그사이에언더필재료가채워져있다 그리고하부다이위에 개의실리콘다이가적층된구조로이루어져있다 유한요소의휨해석모델에가해지는열하중조건은초기온도 에서상온 로감소시켰다 이때 는 재료의큐어링 온도로써스트레스가없다는 상태로가정하였다 표 에서명시된패키지재료들의물성치는여러논문들에서제시된대표값을선택하였다 3. 휨현상측정 패키지의휨을측정하는장비및방법은다양하다 본연구에서는비접촉식 차원광학측정기술인디지털영상보장기법을이용하여온도변화에따른패키지의휨에의한미소변위를측정하였다 이를위하여 시스템을사용하였다 이시스템은두대의 카메라로패키지의표면을찍고두사진의픽셀사이의거리로부터패키지의변형을계산한다 측정전에장비의교정이이루어져야하며변위는시스템에 FEM(Simulation) Experiment Temperature ( ) 내장된프로그램으로계산된다 그후패키지의휨은 차원영상으로나타내어지게된다 은본연구에 서사용된시스템의개략도이다 는 시스템을이용하여 패키지의휨을측정한결과 이며 유한요소의결과를검증하기위하여측정결과와 수치해석결과를비교하였다 측정결과와수치해석결 과가잘일치함을알수있었으며 수치해석의유효성 을검증할수있었다 4. 휨현상해석 은 가지패키지들의휨현상수치해석결과 이다 구조에서휨이가장크게나타나고 그다 음으로 구조의순이었으며 구 조가가장작은휨을보여주고있다 구조에서 의휨은 이고 구조에서는 로 구조가 구조에비하여약 배이상큰휨 이발생되었다 이것은 구조의전체두께 가 구조의두께 보다얇기때문

1 9 7 3 1 Package type 이다 가지패키지구조의휨형태는모두위로볼록한 형태의변형이발생된다 모바일기기에서사용되는패키지들의휨이 를넘게되면 보드와의접합시에다양한신뢰성문제가발생될가능성이높아진다 따라서패키지재료및설계의최적화를통하여패키지의휨을최소할필요가있다 본연구에서는각패키지들의다양한설계인자 즉 두께 의탄성계수및열팽창계수 실리콘다이의크기및두께 그리고

3 Package type 이다 가지패키지구조의휨형태는모두위로볼록한 형태의변형이발생된다 모바일기기에서사용되는패키지들의휨이 를넘게되면 보드와의접합시에다양한신뢰성문제가발생될가능성이높아진다 따라서패키지재료및설계의최적화를통하여패키지의휨을최소할필요가있다 본연구에서는각패키지들의다양한설계인자 즉 두께 의탄성계수및열팽창계수 실리콘다이의크기및두께 그리고 기판의두께 기판의탄성계수및열팽창계수가휨에미치는영향을해석을통하여확인하였다 가되는것으로판단된다 결론적으로 의두께를증가시켜야패키지의휨은감소한다 4.2 EMC 탄성계수에따른영향 는각패키지들의 의탄성계수를 씩변화시켜보았을때의휨해석결과이다 본해석에서적용된모든패키지들의경우 탄성계수가증가할수록휨이감소되는것을알수있다 특히 구조의경우 탄성계수를 에서 로증가시켰을때휨이약 정도감소되는것을확인하였다 의탄성계수 는 기판의탄성계수 보다작다 따라서 의탄성계수를증가시킴으로써 기판의한휨을상대적으로줄일수있기때문에 패키지의전체적인휨은감소하게된다 4.3 EMC 열팽창계수에따른영향 은 의열팽창계수를 씩변화시켜보았을때의휨해석결과이다 각패키지의 의열팽창계수는 로동일하다고하였다 4.1 EMC 두께에영향 1 는각패키지들의 두께를 씩변화시켰을때의휨해석결과이다 전체적으로 두께가감소될수록휨이증가되는것을확인하였다 특히 구조의경우에 를초기두께 에서 로감소시켰을때휨이 에서 로급격히높아짐을알수있으며 다른패키지의 두께가감소할때발생하는휨보다급격한변화를보여주고있다 의열팽창계수 는 기판의열팽창계수 보다작다 따라서패키지에서 두께를얇게할경우 기판의과도한열팽창으로인하여휨이급격히증 Young's modulus of EMC (GPa) EMC thickness(mm) CTE of EMC (ppm/ )

4 모든패키지들경우에 열팽창계수가증가할수록휨이감소되는것을알수있다 특히 구조의경우 열팽창계수가 일때휨의크기는 이고 일때 로약 정도의감소가있음을알수있다 결국 열팽창계수가 기판의열팽창계수 와비슷하게될수록패키지의휨은감소하게된다 4.4 실리콘다이크기에따른영향 Silicon die thickness(mm) 은실리콘다이의크기를 씩변화시켜보았을때의휨해석결과이다 구조의경우 다이의크기를 씩감소시켰을때휨은약 정도감소되는것을확인하였다 다른패키지의경우휨의감소는미미하였는데전체적으로실리콘다이의크기가휨에미치는영향은매우작다고할수있다 이는 에서설명한바와같이다이가작아지면 상대적으로 의양혹은두께는증가하고 이에따라서휨이감소하는것으로생각된다 결론적으로실리콘다이의크기가적어지면상대적으로 의양이커지므로휨은감소하게된다 그러나감소된휨의양은크지않다 4.5 실리콘다이두께에따른영향 는각패키지들의실리콘다이의두께를 씩변화시켜보았을때의휨해석결과이다 구조의경우에실리콘다이의두께가 에서 만큼감소시켰을때휨은약 정도감소되는것을확인하였다 이것은전체패키지의두께가고정되어있는상태에서실리콘다이의두께가감소하면서상대적으로 양이증가하게되어휨이감소하는것으로판단된다 구조와 구조의경우에는실리콘다이가한층으로이루어진구조로써실리콘다이의두께가감소되는양이적기때문에휨의 감소는미미하다고판단된다 4.6 BT 기판의열팽창계수에따른영향 는 기판의열팽창계수를 씩변화시켜보았을때의휨해석결과이다 기판의열팽창계수는 이다 그림에서와같이 기판의열팽창계수가감소할수록휨이감소되는것을확인하였다 그리고그변화율도다른인자에비하여매우크다 특히 구조의경우는 기판의열팽창계수가 일때 이고 일때 로약 정도감소되는것을확인할수있다 따라서 기판의열팽창계수가 열팽창계수 와비슷하게될수록휨은감소한다 4.7 BT 기판의탄성계수에따른영향 은각패키지들 기판의탄성계수를 씩변화시켜보았을때의휨해석결과이다 본해석에적용된모든패키지들의경우 기판의탄성계수가감소할수록휨이감소하는것을알수있다 특히 구조의경우 기판의탄성계수가 에서 로감소되면휨이약 정도감소되는것을확인하였다 이것은 기판의탄성계수 Silcon die size (mm) CTE of BT substrate(ppm/ )

1 1 1 1 후기 본연구는 서울시산학연협력사업 의지원을받아수행되었습니다 참고문헌 3 4 5 6 7 8 9 1 Silcon die size (mm) 가 탄성계수 보다크기때문에

결론 본연구에서는최근에모바일기기에주로사용되고 있는초박형패키지인 패키지들에대하여휨현상에의한신뢰성문제를감소 시키기위한연구를수행하였으며 각패키지들의다양 한설계인자가휨에미치는영향을해석하였다 이를

결과를수치해석결과와비교하여수치해석의유효성을 검증하였다 두께가증가되면휨은감소하며 의탄성계수및열팽창계수가증가할수록휨은감 소한다 한편실리콘다이의크기및두께를감소시키 면 상대적으로 의양이증가하기때문에휨은감

5 후기 본연구는 서울시산학연협력사업 의지원을받아수행되었습니다 참고문헌 Silcon die size (mm) 가 탄성계수 보다크기때문에 기판의탄성계수가작아질수록휨이감소되는것으 로판단된다 그러나 기판의탄성계수가휨에미치 는영향은크지않다고하겠다 5. 결론 본연구에서는최근에모바일기기에주로사용되고 있는초박형패키지인 패키지들에대하여휨현상에의한신뢰성문제를감소 시키기위한연구를수행하였으며 각패키지들의다양 한설계인자가휨에미치는영향을해석하였다 이를 통하여휨현상메커니즘과이를제어하기위한중요 인자를이해함으로써휨현상을최소화하고자하였다 또한비접촉식 차원광학측정기술인디지털영상보 장기법을이용하여패키지의휨을측정하였으며 측정 결과를수치해석결과와비교하여수치해석의유효성을 검증하였다 두께가증가되면휨은감소하며 의탄성계수및열팽창계수가증가할수록휨은감 소한다 한편실리콘다이의크기및두께를감소시키 면 상대적으로 의양이증가하기때문에휨은감 소한다 반면에 기판의탄성계수및열팽창계수가 감소하면휨은감소한다 각패키지들의휨해석결과 구조가가장큰휨을보였으며 휨현상에가장 큰영향을미치는인자로서는실리콘다이의비율 열팽창계수 그리고 기판의열팽창계수가 있다 김경호 년생 서울과학기술대학교 융합기술대학 및반도체패키징 송차규 년생 서울과학기술대학교 융합기술대학 및반도체패키징 좌성훈 년생 서울과학기술대학교 융합기술대학원 및반도체패키징

17(4)-07(10-34)p fm

17(4)-07(10-34)p fm Journal of the Microelectronics & Packaging Society Vol. 17, No. 4, p. 49-60. 2010 수치해석에의한초박형패키지의휨현상및응력특성에관한연구 송차규 좌성훈 서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원 Numerical Study of Warpage and Stress for the Ultra Thin Package