마이크로 및 벌크 스케일 재료의 열-기계적 하중에 따른 구조 신뢰성 평가

국문 초록 (Abstract)

고온 환경에서 운용되는 구조물은 열적-기계적 하중에 노출되어 구조 내부의 응력 집중, 변
형, 미세균열 등의 손상이 누적되어 장기적인 내구성 및 신뢰성 저하로 이어진다.
본 연구에서는 마이크로 스케일의 반도체 패키지와 벌크 스케일의 가스터빈 분야를 대상으
로 열적-기계적 특성 분석을 수행하였다. 반도체 패키지 분야에서는 실리콘 다이와 구리 배선
을 단순화한 실리콘 다이 모델을 유한요소해석 기법을 통해 리플로우 공정 조건에서 다이 두
께와 형상의 변화에 따른 휨(Warpage) 거동을 분석하였으며 두께, 형상, 크기와 같은 설계 인
자가 열적-기계적 변형 특성에 미치는 영향을 확인하였다.
가스터빈 분야에서는 로터 소재(ASTM A471 Grade 6)의 수명 예측 신뢰성을 높이기 위해
철-탄소 확산에 따른 Arrhenius 반응 속도론 기반의 가속열화계수(AF) 산정 모델을 제시하
였으며, 열화 수준별 미세구조 분석을 통해 기지 조직의 연화와 탄화물의 조대화에 의한 파괴
메커니즘의 변화가 소재 열화의 주된 요인임을 규명하였다. 수명 예측 모델에 도출된 가속열화
계수를 적용함으로써 소재의 열화 거동을 보다 정밀하게 예측하고 잔존 수명을 평가하기 위한
유효한 방법론을 정립하고자 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Structures operating in high temperature environments are exposed to
thermal-mechanical loads, which lead to the accumulation of damage such as stress
concentration, deformation, and micro-cracking, eventually resulting in the degradtion
of long term durability and reliability.
In this study, thermal-mechanical characterization was conducted on micro-scale
semiconductor packages and bulk-scale gas turbine components. In the
semiconductor packaging field, a silicon die model simplifying the silicon die and
copper interconnects was analyzed using the Finite Element Method (FEM). This
analysis investigated warpage behavior according to changes in die thickness and
geometry under reflow process conditions, confirming the impact of design
parameters such as thickness, shape, and size on thermal-mechanical deformation
characteristics.
In the gas turbine field, an Acceleration Factor (AF) estimation model based on
Arrhenius reaction kinetics following iron-carbon diffusion was proposed to improve
the reliability of life prediction for rotor materials (ASTM A471 Grade 6). Through
microstructure analysis at various degradation levels, it was identified that changes
in the failure mechanism caused by matrix softening and carbide coarsening are the
primary factors in material degradation.
By applying the derived acceleration factor to the life prediction model, this
study aims to establish an effective methodology for more accurately predicting
material degradation behavior and evaluating residual life.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 ⅲ
• 표목차 vi
• 국문초록 ⅴii
• 제 1 장 서론
• 제 1 절 연구 배경 및 필요성 1
• 제 2 절 연구 목적 4
• 제 2 장 이론적 배경
• 제 1 절 열적-기계적 거동과 구조적 신뢰성 5
• 제 2 절 반도체 패키지에서의 열-기계적 거동과 불량 메커니즘 6
• 제 3 절 가스터빈 로터에서의 열-기계적 거동과 열화 메커니즘 8
• 제 3 장 Si Die-Cu Interconnect 구조의 열-기계적 해석
• 제 1 절 유한요소 해석 모델 구성 및 요소 11
• 제 2 절 유한요소 해석 결과 및 고찰 16
• 제 4 장 가속열화에 따른 가스터빈 로터 소재의 열화도 평가
• 제 1 절 가스터빈 로터 소재: ASTM A471 Grade 6 25
• 제 2 절 가속 열화 및실험조건 35
• 제 3 절 경도 및 압입시험을 통한 인장 특성 44
• 제 4 절 충격시험을 통한 연성-취성 천이온도 47
• 제 5 절 미세구조 분석 49
• 제 5 장 결론
• 참고문헌 57
• Abstract 63