Investigation on warpage and interconnect strain of semiconductor packages using digital image correlation

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, semiconductor packaging has increasingly adopted heterogeneous integration (HI), higher I/O density, and thinner profiles to satisfy the demands of Physical AI servers, edge devices, and other advanced systems. During processes such as reflow and epoxy molding compound (EMC) encapsulation, coefficient of thermal expansion (CTE) mismatch among constituent materials induces residual warpage. Because these warped packages are eventually mounted on boards that themselves deform, it is essential to understand their combined influence on reliability.
In this work, we address this issue by combining 3D digital image correlation (DIC) for global warpage measurement with micro-2D DIC for local strain evaluation, thereby enabling both qualitative and quantitative correlation between the two scales. By comparing the DIC measurements with finite element analysis (FEA), we further verified that the observed warpage and strain responses show consistent trends. First, global warpage of a ball grid array (BGA) package was evaluated for the chip-level and board-level samples separately. The measurement was conducted at 125°C to investigate the deformation under high temperature of JEDEC standard temperature testing condition. Second, cross-sectional micro-2D DIC was applied to the outermost solder joints on boards with different printed circuit board (PCB) thicknesses to quantify local normal and shear strains. When the PCB thickness was reduced by 50%, the relative global warpage increased by 205%, whereas the maximum principal strain at the outermost joint decreased by 27.4%. Conversely, increasing PCB thickness suppressed warpage by 35.2% but raised the local maximum principal strain by 30.0%.
This experimental framework makes it possible to identify warpage-induced stress-concentration regions and to obtain mechanistic insight into the deformation behavior of board-level packages. The results demonstrate a clear trade-off between global warpage and local strain and provide a basis for predicting warpage–strain responses as functions of design parameters and for formulating reliability-driven design guidelines.

국문 초록 (Abstract)

최근 반도체 패키지는 피지컬 AI용 서버, 엣지 디바이스 및 기타 고급 시스템의 요구를 충족하기 위해 이종집적(heterogeneous integration, HI), 고집적 I/O, 박형화된 구조를 점점 더 많이 채택하고 있다. 리플로우나 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC) 공정과 같이 열이 가해지는 과정에서는 구성 재료 간 열팽창계수(coefficient of thermal expansion, CTE) 불일치로 인해 잔류 휨(warpage)이 발생한다. 이러한 휨을 가진 패키지는 결국 자체적으로 변형되는 보드 위에 실장되므로, 두 구조가 결합된 상태에서 신뢰성에 미치는 영향을 이해하는 것이 필수적이다.
본 연구에서는 이러한 한계를 해결하기 위해, 3차원 디지털 이미지 상관법(3D DIC)을 이용한 전역 휨 측정과 마이크로 2차원 DIC를 이용한 국부 변형률 평가를 결합한 멀티스케일 실험 프레임워크를 구축하였다. 또한 DIC 측정결과를 유한요소해석(FEA) 결과와 비교함으로써, 관찰된 휨과 변형률 거동이 일치하는 경향을 보임을 추가로 확인하였다. 먼저 BGA 패키지에 대해 칩 레벨과 보드 레벨 시편의 휨을 JEDEC 규격에 따른 125 °C 고온 조건에서 각각 측정하여 보드 실장에 따른 굽힘 거동 변화를 평가하였다. 이어서 서로 다른 두께의 PCB에 실장된 시편을 단면 가공한 후 최외곽 솔더 조인트를 대상으로 마이크로 2D DIC를 수행하여 법선 및 전단 변형률을 정량화하였다. 그 결과, PCB 두께를 50 % 감소시켰을 때 상대적인 전역 휨은 205 % 증가하였으나 최외곽 조인트의 최대 주변형률은 27.4 % 감소하였고, 반대로 PCB 두께를 증가시킨 경우 보드 레벨 휨은 35.2 % 감소하는 대신 국부 최대 주변형률이 30.0 % 증가하는 뚜렷한 트레이드오프 관계가 관찰되었다. 유한요소해석(FEA)은 이러한 실험 결과와 경향성을 정성·정량적으로 검증하는 데 사용되었으며, PCB 굽힘 강성에 따라 전역 휨과 국부 변형률 분포가 재분배된다는 기구적 해석을 제공하였다.
본 연구에서 제안한 휨–변형률 연계 방법론은 보드 레벨 패키지에서 휨에 의해 유도되는 응력 집중 영역을 실험적으로 식별하고, PCB 두께 및 굽힘 강성에 따른 열–기계적 거동 변화를 정량적으로 이해할 수 있는 기반을 제공한다. 더 나아가, 설계 단계에서 측정이 용이한 전역 휨과 PCB 설계 변수로부터 솔더 조인트 수준의 국부 변형률 응답을 예측할 수 있는 정량적 지표를 제시함으로써, 패키지–보드 구성과 PCB 두께 파라미터를 신뢰성 관점에서 최적화하는 설계 가이드라인 수립에 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction １
• Chapter 2. Theoretical Background ６
• 1. Reliability engineering in microelectronics industry ６
• 2. Continuum mechanics ９
• A. Kinematics of Deformation ９
• B. Strain Measures in Linear Elasticity １０
• 3. Digital image correlation １１
• A. Pattern matching １１
• B. Speckle pattern １４
• C. Stereo vision １６
• 4. Bending stiffness theory １７
• Chapter 3. Experimental Procedure １９
• 1. Sample fabrication １９
• 2. 3D DIC setup ２４
• 3. 2D micro-DIC setup ２７
• 4. Material characterization ２９
• 5. Finite element model ３１
• Chapter 4. Results and Discussion ３４
• 1. Comparison of CLP and BLP reliability ３４
• A. Global warpage results ３４
• B. Local strain results ３８
• 2. Comparison of BLP behavior by PCB thickness ４１
• A. Bending stiffness control by changing PCB thickness ４１
• B. Global warpage results ４３
• C. Local strain results ４５
• D. Global warpage-local strain correlation based on DIC-FEA ４８
• Chapter 5. Conclusion ５１
• References ５３