[ 논문 ] 한국소성가공학회지, 제 23 권제 4 호, 2014 206 Transactions of Materials Processing, Vol.23, No.4, 2014 http://dx.doi.org/10.5228/kstp.2014.23.4.206 반도체산업의정밀리드프레임에대한프레스및금형변형예측 홍석무 1 윤여환 1 엄성욱 1 황지훈 # 이동욱 2 Press and Die Deformation for a Precise Semiconductor Lead Frame S. Hong, Y. Yoon, S. Eom, J. Hwang, D. Lee (Received March 7, 2014 / Revised April 24, 2014 / Accepted April 29, 2014) Abstract The metal lead frame, a semiconductor component, has product tolerances in micro units as compared to products made with a larger size mold. Therefore, small deflections of the mold and of the press as well as the press molding process itself have a strong influence on accuracy of the product. Hence, it is necessary for the process design to consider the structural response of the mold and the press during deformation. In the current study, the mold deflection and pressure on the punch is examined using the finite element modeling (FEM) program ABAQUS. The results from the simulation were verified with the dynamic deformation measurement equipment using digital image correlation (DIC). Key Words: Progressive Die, Press/Die Structure, FEM, DIC, Sheet Metal Forming 1. 서론 프레스로성형되는제품은점점작아지고정밀도가높아지고있는추세이다. 그대표적인예로메탈리드프레임 (Metal Lead Frame) 을들수있는데, 메탈리드프레임이란반도체칩과회로기판을전기적으로연결시켜주는동시에열발산의경로역할을해주는부품으로현재메모리, CPU, 그래픽, ASIC 등대부분의반도체제품에사용된다 (Fig. 1)[1]. 제조방식에따라금형을이용하는 SLF (Stamped Lead Frame) 와에칭법을활용하는 ELF (Etched Lead Frame) 으로구분되는데, SLF 리드프레임의제조공정은금형을이용하여제품형상을만드는스탬핑공정, 반도체칩과전기적연결을위해형상가공된제품에귀금속 (Ag/Pb) 을도금하는 Plating 공정, 그리고 Taping- Down set (bending) 과 Cut off(cutting) 공정을거쳐비전검사후포장으로완료된다. 이중스탬핑공정은고속프레스를이용하여 250~550 SPM의빠른속도로가공하는데, 금형은 2~3m 정도로순차이송금형 (progressive die) 방식의무인자동화시스템으로구성된다. Fig. 2는순차이송금형을통해점진적으로성형되는제품의형상을보여준다. 샘플은 216PIN 2열, Intervial lead P 148um( 최소타발폭 : 65 um) 이다. 순차이송금형방식은하나의금형에서여러단계의전단공정을수행하기때문에프레스나금형의크기가기존에비해대형화된다. 그러나마이크로단위의제품공차를갖는리드프레임의특성상, 금형에서발생하는수십 ~ 수백마이크로단위의미세한변형도제품의품질및수율에영향을미치는 1. 삼성전자글로벌기술센터 2. 삼성테크윈 MMS 메탈팀 # Corresponding Author : Global Production Technology Center, Samsung Electronics Co, Ltd. E-mail: jsso.hwang@samsung.com
반도체산업의정밀리드프레임에대한프레스및금형변형예측 207 매우중요한인자가된다. 따라서제품이마이크로단위의공차를갖도록생산하기위해서는구조적인건전성을고려한프레스및금형설계가필요하다. 과거현장에서는금형설치시다이스포팅 (die spotting) 작업을통해간극을조정했으나, 성형과정에서소재유입및신장등에의해불균일두께상태가되고, 이러한원인으로상하금형의간극이점점더불균일한상태가된다. 작업도중불량이발생할때반복적으로다이스포팅을하거나, 다이베드등의연삭을통해임시방편으로불량을개선하는실정이다. 현재까지리드프레임성형공정에관한연구는펀치의좌굴에대한보강설계 [1], 피어싱공정의클리어런스영향 [2], 홀더력과스트리퍼형상이최종리드형상에미치는영향 [3] 등의유한요소법을활용한전단공정의연구가주를이루었다. 이들은공정조건에따른소재의변형에만초점을맞추어금형을강체 (rigid body) 로가정했는데, 이러한 FEM을활용한단품구조해석으로는금형의미세변형이나파손등의요인을예측하기힘들다. 금형구조를개선하거나파손원인등을규명하기위한선행연구사례가있는데, Yin 등은구조해석모델링기법을제안하고, 실험계획법을활용하여차체용대형금형과블랭크홀더의구조강도및굽힘변형을최소화하는구조설계를수행했다 [4]. Aitharaju 등은유한요소해석을이용한다이구조해석기법을정립하고, 이를활용한차체성형용금형의구조를개선설계했다 [5]. Lee 등은프레스 / 금형연계해석모델과블랭크두께변화를구조해석모델에반영하는새로운방법을제안하고, 금형간극변화를최소화하기위한밸런스블록의위치및높이최적화를수행했다 [6]. Keum 등은프레스와금형의변형을고려한구조해석을통해판재성형해석시스프링백현상을모사하는등해석정밀도향상시켰다 [7]. 선행연구에서는단순화된모델링기법과이상적인작업조건을고려하였지만, 고속타발시발생하는동적하중으로인한금형의변화를예측하고, 프레스시스템의전체변형을고려하기위해서새로운모델링기법이적용되어야한다. 본연구에서는고속순차이송금형방식의프레스타발순간을 DIC(Digital Image Correlation) 기법으로측정하였다. DIC 기법을통해복잡하고빠르게움직이는프레스내에서성형공정프로세스의순차적측정이가능하고비접촉방식으로변형을측정 Fig. 1 Schematic diagram of metal lead frame and a sample of lead frame Fig. 2 Metal lead frame after progressive press forming 할수있으며, 또한고속카메라 (1200cut/s) 를이용하여타발시실제금형의흔들림을정량적으로분석할수있다. 이결과는프레스와금형전체유한요소해석모델링 (FEM) 의검증자료로활용되었다. 각금형의구성요소와부품들은 Multi Point Constraint(MPC) 조건으로체결되었고, 접촉및슬라이딩조건을부여함으로써실제거동을현실적으로모사했다. 2. 유한요소모델링 본연구에서다룬프레스장비는용량 80 Ton, 가동속도 300SPM(Speed per minute) 의고속프레스이다. 고속프레스장비사용시스피드가높아질수록생산성이향상되는반면, 타발시금형정밀도, 진동및마모등의복합적인원인으로타발위치가부정확하여리드프레임의전단이고르지않게되는문제점이종종발생한다. 따라서순차이송금형방식을적용한프레스장비와금형구조가전단부품의제조에미치는영향을살펴보기위해서금형과프레스일부부분을유한요소모델링하고해석을수행했다. 프레스의크기는수미터이며, 금형의폭이 3m에이르는대형구조물과수십마이크로단위제품을생산하는전단금형의전체모델링은시간적효율성과해석기법을고려했을때어렵다고판단되므로, 펀치에의해전단되는부분의해석등은
208 홍석무 윤여환 엄성욱 황지훈 이동욱 Table 1 Material properties of mold-parts Young s modulus Density [ton/mm3] SM45C 205 GPa 7.82E-9 Part name Punch holder Die holder Copper 118 GPa 8.94E-9 Blank KD 20 506 GPa 14.2E-9 Stripper insert Die insert STD 11 209 GPa 7.72E-9 The others Fig. 5 Results from FE Simulation 제외하고실제측정에의해서얻어진반력을분산하중으로해석모델에적용하였다. 유한요소모델링은 14개의파트로이루어지며, Fig. 3에전체금형의어셈블리모델을나타냈다. Fig. 3 Finite Element Modeling 2.1 경계조건 해석모델에총세가지금속재료가사용되었는데, Holder(2,13) 는 SMC45, Insert(10,11) 는 KD20, 전단되는블랭크소재는 Copper, 그외의파트는 STD11이사용되었다. 그에대한기계적물성치는 Table 1과같다. 각파트의볼트체결과클램프 (clamp) 체결은강체요소 (rigid element) 를사용하였고경계조건으로 Bed(14) 아래면을구속시켰으며, 구분된각파트의접촉면을접촉경계조건으로처리하여실제현상에서일어나는슬립등을고려하였다. 모델중 Ram(1) 과펀치홀더 (2) 그리고 Bed(14) 와다이홀더 (13) 의일부분은 Tie 조건으로설정해수렴성을향상시켰다. 해석에필요한하중조건을얻기위해서실험을통해프레스상단부에서하중을측정하였으며, CAE 해석경계조건으로리드프레임타발시필요한전단소요력을 Ram (1) 상단부에주었다. 해석에사용된하중조건은 Fig. 4에나타내었다. 유한요소해석은 ABAQUS/CAE 프로그램 Static, General 모드를사용하였다 [8]. 3. 결과 Fig. 4 Boundary condition on upper mold as distributed load 3.1 구조해석결과 유한요소해석에의한프레스의변위해석결과는 Fig. 5 와같다. 결과에서는프레스를제외한금형에
반도체산업의정밀리드프레임에대한프레스및금형변형예측 209 (a) (b) (a) (c) Fig. 6 Optical measurement system PONTOS: (a) high speed camera and S/W, (b) measurement markers on molds, (c) calculation of displacement on measurement positions 대한변형만을분석하였다. 순차이송방식의전단공정은전단하중의분포가매우중요하게작용하는데, 순차이송방향의뒷부분에대부분하중이집중됨으로인해서반력을받게되는상단부금형이한쪽으로쏠리는현상이발생된다. 가이드포스트에는집중하중이발생되어 300SPM의빠른속도로반복타발시금형의편마모가진행될수있음을금형구조해석을통해확인할수있다. 3.2 DIC 측정비교결과 Fig. 6-(a) 의동적변형을측정할수있는비접촉 3차원측정시스템 PONTOS(GOM GmbH, Germany) 를활용하여 300SPM으로고속상하반복을하는프레스금형의변위를측정하였다 [9]. 금형위에측정마커를붙이고초고속카메라 (1만장/ 초 ) 를이용하여타발순간을분석하였다. 프레스동적하중이미치는금형의위치및영향을분석하기위해서프레스금형의각부분즉, Ram, Punch holder, Stripper (b) Fig. 7 Comparison between results of (a) DIC measurement and (b) FE simulation (Displacement difference on measurement position) ( 이상구동부 ), Die Plate, Die Holder, BED ( 이상고정부 ) 로구분하여측정마커를지정하였다 (Fig. 6-(b)). 지정된마커들은고속카메라측정중노드로인식되며, 이마커들의움직임을 PONTOS S/W에서계산해 Fig. 6-(c) 와같이고속프레스의작동중측정대상개체의변위를측정하게된다. Fig. 7은중심부를기준으로측정마커들의상대변위를계산하여해석결과와측정결과를그래프로나타낸것이다. 해석결과와측정결과그래프를동일한스케일과위치에서비교해본결과동일한거동을보이며상대위치및변위차이도양호한일치를보인다. 이중스트리퍼변위의경우해석상계산된변위와실제생기는변위에차이가보이는데, 이는해석시
210 홍석무 윤여환 엄성욱 황지훈 이동욱 하중경계조건에서금형의타발시충격량과관성력등의여러조건들을고려하지않았기때문에상대적으로작게평가된것으로보인다. 향후실제와동일한조건을모두고려하도록모델링하여동적해석 (dynamic) 을진행한다면좀더좋은결과를얻을수있을것으로생각된다. 4. 결론 본연구에서는고속순차이송금형프레스의타발순간금형의변형을구조정적해석을통해예측하고 DIC 기법을활용한측정결과와비교하였다. CAE 해석결과와 DIC 동적변형측정결과의변형양상은양호한일치를보인다. 따라서, 프레스와금형의정적구조해석을통해서타발시금형의변형과응력을최소화할수있는최적금형조건을결정할수있게된다. 또한프레스장비자체강성을평가할수있는기준으로적합하며, 해석데이터는프레스강성보강을위한근거데이터로활용이가능한것으로판단된다. DIC를활용한동적평가와해석데이터의비교분석으로프레스장비의노후도예측이가능할뿐만아니라, 금형내부의결합구조에따른금형의마모정도도예측가능하다. 따라서본연구결과를활용하여신규모델개발시에장비선택및신규장비개발에기여할수있을것으로판단된다. REFERENCES [1] I. S. Lee, D. C. Ko, B. M. Kim, 2005, Proc. Kor. Soc. Prec. Eng., Autumn Conf., Kor. Soc. Prec. Eng., Seoul, Korea, pp. 1014~1017. [2] H. S. Kim, H. A. Lee, WH. J. Kim, H. P. Kim, Y. J. Kim, 2006, Proc. Kor. Soc. Prec. Eng., Autumn Conf., Kor. Soc. Prec. Eng., Seoul, Korea, pp. 237~238. [3] S. K. Cheon, C. H. Han, 1999, Proc. Kor. Soc. Prec. Eng., Autumn Conf., Kor. Soc. Prec. Eng., Seoul, Korea, pp. 1027~1030. [4] J. J. Yin, Y. S. Shin, H. Y. Kim, 2001, Analysis on the Bending Deflection of the Blank Holder in Automotive Body Panel Draw Die, Trans. of the Kor. Soc. of Machine Tool Engineers, Vol. 10, No. 3, pp. 68~74. [5] V. Aitharaju, M. Liu, J. Dong, J. Zhang, C. Wang, 2005, Integrated Forming Simulations and Die Structural Analysis for Optimal Die Designs, Numisheet 2005, Vol. A, pp. 96~100. [6] H. S. Lee, J. J. Yin, S. W. Chae, 2006, Proc. Kor. Soc. Automot. Eng. Spring Conf. Vol. 6, Kor. Soc. Automot. Eng., Seoul, Korea, pp. 2039~2044. [7] Y. T. Keum, I. H. Ahn, M. H. Song, S. O. Kwon, J. S. Park, 2005, Simulation of Stamping Process of Automotive Panel Considering Die Deformation, Numisheet 2005, Vol. A, pp. 90~95. [8] ABAQUS User s Manual, Ver. 6.10, Dassault Systemes Simulia Corp., Province, RI, USA. [9] GOM User s Manual, GmbH, Germany.