유한요소 해석을 이용한 2.5D Package Interposer 구조적 특성 연구 = A study on the Structural Characteristics of 2.5D Package Interposer Using Finite Element Analysis

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the demand for high-performance computing and large-scale data processing continues to grow, 2.5D and 3D packaging technologies are rapidly expanding, elevating the thermo-mechanical stability of interposers as a key factor in overall system reliability. While silicon-based interposers have been widely adopted, their manufacturing cost and limited scalability for large-area applications have led to increasing interest in glass interposers as an alternative. Glass offers advantages such as low dielectric constant, excellent insulation properties, and strong compatibility with panel-level processing, making it a promising material for next-generation High Performance Computing (HPC) and AI packages. However, due to the brittle nature of glass, cracking and micro-damage can easily occur during the formation of Through-Glass Via (TGV). In addition, thermal expansion mismatches with dissimilar materials such as copper and glass can induce interfacial stress, warpage, and residual stress accumulation under repeated thermal cycling. These issues may lead to package deformation, stress concentration around the vias, and degradation of signal integrity, making it essential to evaluate the thermo-mechanical behavior of glass interposers.
In this study, the thermo-mechanical behavior of a glass interposer was analyzed, and the effects of design variations on deformation and stress distribution were examined through measurement-based model validation and finite element analysis. The simulation framework began with experimental verification using measured warpage data to confirm the reliability of the analysis model. Subsequently, variations in substrate thickness and interposer size were evaluated to compare overall warpage behavior, and changes in the TGV aspect ratio were applied to predict local stress after thermal cycling within the interposer. Through this approach, the influence of substrate thickness, interposer size, and TGV geometry on deformation and stress distribution in glass interposers was identified.

국문 초록 (Abstract)

고성능 연산과 대규모 데이터 처리가 요구되는 응용 분야에서 2.5D/3D 패키징이 빠르게 확대되면서, 칩 간 고밀도 연결을 담당하는 인터포저의 열·기계적 안정성은 시스템 신뢰성의 핵심 요소로 부상하고 있다. 기존에는 주로 실리콘 기반 인터포저가 사용되었으나, 제조 비용과 대면적 적용의 한계로 인한 대안 소재로서 유리(glass) 인터포저가 주목받고 있다. 유리는 낮은 유전율, 우수한 절연 특성, 패널 공정과의 높은 호환성 등 전기적·공정적 장점을 갖고 있어 차세대 HPC(High Performance Computing) 및 AI 패키지에 적합한 재료로 평가된다. 그러나 유리는 취성 소재라는 특성으로 인해 TGV(Through-Glass Via) 형성 과정에서 균열이나 미세 손상이 발생하기 쉽고, 구리·폴리이미드 등 이종 재료와의 열팽창 차이로 인해 계면 응력 증가, 열사이클 반복에 의한 Warpage와 잔류응력 축적 등이 발생할 수 있다. 이는 패키지 변형, via 주변 응력 집중, 신호 무결성 저하로 이어질 수 있어, 유리 인터포저의 열·기계적 거동을 평가하는 연구가 필수적이다.
본 논문에서는 유리 인터포저의 열·기계적 거동을 분석하고, 설계 변화에 따른 변형 및 응력 특성을 확인하기 위해 실측을 기반으로 한 검증과 유한요소해석(FEA)을 수행하였다. 먼저 실측 데이터를 활용해 해석 모델의 신뢰성을 검증한 후, 기판 두께와 크기를 변화시켜 전체 휨 거동을 비교하였으며, TGV의 Aspect Ratio를 변경하여 열사이클 이후 인터포저 내부에서 발생하는 국부 응력을 예측하였다. 이를 통해 기판 두께·크기·TGV 형상이 유리 인터포저의 변형과 응력 분포에 미치는 영향을 파악하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 ?
• 1. 연구의 배경 및 목적 1
• II. 이론적 고찰 ?
• 1. 이종집적(Heterogeneous Integration) ?
• 2. 인터포저(Interposer) 6
• 3. 패키지 신뢰성 문제 10
• 4. 유한요소해석 12
• III. 인터포저 구조해석 14
• 1. Simulation 1: Tool 신뢰성 검증을 위한 비교 해석 14
• 1) 실리콘 웨이퍼 휨 측정 14
• (1) 시료 제작 14
• (2) 휨 측정 결과 15
• 2) 유한요소해석을 통한 휨 예측 17
• (1) 모델링 17
• (2) 경계조건 18
• (3) 유한요소해석 결과 20
• 2. Simulation 2: 유리 인터포저 휨 거동(Warpage) 분석 22
• 1) 기본 설계 구조 22
• 2) 두께 변화에 따른 휨 거동 24
• (1) 모델링 24
• (2) 경계 조건 25
• (3) 유한요소해석 결과 27
• 3) 크기 변화에 따른 휨 거동 29
• (1) 모델링 29
• (2) 경계조건 30
• (3) 유한요소해석 결과 32
• 3. Simulation 3: TGV 국부 응력 분석 34
• 1) TGV AR 변화에 따른 응력 분포 특성 34
• (1) 모델링 및 경계 조건 34
• (2) 해석 결과 36
• IV. 결론 38
• 참고문헌 40
• Abstract 48
• 국문초록 50