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Solid Epoxy를 이용한 패키지 및 솔더 크랙 신뢰성 확보를 위한 실험 및 수치해석 연구
조영민,좌성훈,Cho, Youngmin,Choa, Sung-Hoon 한국마이크로전자및패키징학회 2020 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.27 No.1
반도체 패키지에서 언더필의 사용은 패키지의 응력 완화 및 습기 방지에 중요할 뿐만 아니라, 충격, 진동 시에 패키지의 신뢰성을 향상시키는 중요한 소재이다. 그러나 최근 패키지의 크기가 커지고, 매우 얇아짐에 따라서 언더필의 사용이 오히려 패키지의 신뢰성을 저하하는 현상이 발견되고 있다. 이러한 이슈를 해결하기 위하여 본 연구에서는 언더필을 대신 할 소재로서 solid epoxy를 이용한 패키지를 개발하여 신뢰성을 향상시키고자 하였다. 개발된 solid epoxy를 스마트 폰의 AP 패키지에 적용하여 열사이클링 신뢰성 시험과 수치해석을 통하여 패키지의 신뢰성을 평가하였다. 신뢰성 향상을 위한 최적의 solid epoxy 소재 및 공정 조건을 찾기 위하여 solid epoxy 의 사용 개수, PCB 패드 타입 및 solid epoxy의 물성 등, 3 개의 인자가 패키지의 신뢰성에 미치는 영향을 고찰하였다. Solid epoxy를 AP 패키지에 적용한 결과 solid epoxy가 없는 경우 보다, solid epoxy를 적용한 경우가 신뢰성이 향상되었다. 또한 solid epoxy를 패키지의 외곽 4곳에 적용한 경우 보다는 6 곳에 적용한 경우가 더 신뢰성이 좋음을 알 수 있었다. 이는 solid epoxy가 패키지의 열팽창에 따른 응력을 완화 시키는 역할을 하여 패키지의 신뢰성이 향상되었음을 의미한다. 또한 PCB 패드 타입에 대한 신뢰성을 평가한 결과 NSMD (non-solder mask defined) 패드를 사용할 경우가 SMD (solder mask defined) 패드 보다 신뢰성이 더 향상됨을 알 수 있었다. NSMD 패드의 경우 솔더와 패드가 접합하는 면적이 더 크기 때문에 구조적으로 안정하여 신뢰성 측면에서 더 유리하기 때문이다. 또한 열팽창계수가 다른 solid epoxy를 적용하여 신뢰성 평가를 한 결과, 열팽창계수가 낮은 solid epoxy를 사용한 경우가 신뢰성이 더 향상됨을 알 수 있었다. The use of underfill materials in semiconductor packages is not only important for stress relieving of the package, but also for improving the reliability of the package during shock and vibration. However, in recent years, as the size of the package becomes larger and very thin, the use of the underfill shows adverse effects and rather deteriorates the reliability of the package. To resolve these issues, we developed the package using a solid epoxy material to improve the reliability of the package as a substitute for underfill material. The developed solid epoxy was applied to the package of the application processor in smart phone, and the reliability of the package was evaluated using thermal cycling reliability tests and numerical analysis. In order to find the optimal solid epoxy material and process conditions for improving the reliability, the effects of various factors on the reliability, such as the application number of solid epoxy, type of PCB pad, and different solid epoxy materials, were investigated. The reliability test results indicated that the package with solid epoxy exhibited higher reliability than that without solid epoxy. The application of solid epoxy at six locations showed higher reliability than that of solid epoxy at four locations indicating that the solid epoxy plays a role in relieving stress of the package, thereby improving the reliability of the package. For the different types of PCB pad, NSMD (non-solder mask defined) pad showed higher reliability than the SMD (solder mask defined) pad. This is because the application of the NSMD pad is more advantageous in terms of thermomechanical stress reliability because the solderpad bond area is larger. In addition, for the different solid epoxy materials with different thermal expansion coefficients, the reliability was more improved when solid epoxy having lower thermal expansion coefficient was used.
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실험 및 수치해석을 이용한 SLP (Substrate Like PCB) 기술에서의 마이크로 비아 신뢰성 연구
조영민,좌성훈,Cho, Youngmin,Choa, Sung-Hoon 한국마이크로전자및패키징학회 2020 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.27 No.1
최근 PCB의 소형화, 박형화 및 고밀도화가 크게 요구되면서 MSAP (Modified Semi Additive Process) 기술을 이용한 SLP (Substrate Like PCB) 기술이 큰 주목을 받고 있다. 특히 SLP 기술은 스마트폰의 고용량 배터리 개발과 5G 기술에 꼭 필요한 기술이다. 본 연구에서는 기존의 HDI 기술과 MSAP 기술을 혼합하여 제작한 하이브리드 방식의 SLP의 신뢰성을 실험과 수치해석을 이용하여 분석하였다. 특히 최적의 SLP 설계를 위하여 프리프레그(prepreg)의 물성, 두께, 층수, 마이크로비아(microvia)의 크기 및 misalignment가 마이크로비아의 신뢰성에 미치는 영향을 IST(Interconnect Stress Test) 시험을 이용한 열사이클링 신뢰성 실험과 유한요소 수치해석을 통하여 고찰하였다. SLP 소재인 프리프레그의 열팽창계수가 적을수록 마이크로비아의 신뢰성은 크게 증가하며, 프리프레그의 두께가 얇을수록 신뢰성이 증가된다. 마이크로비아 홀의 크기 및 패드의 크기가 증가하면 응력이 완화되어 신뢰성은 향상된다. 반면 프리프레그의 층수가 증가할수록 마이크로비아의 신뢰성은 감소된다. 또한 misalignment가 크면 신뢰성은 감소하였다. 특히 이들 인자들 중에서 프리프레그의 열팽창계수가 마이크로비아의 신뢰성에 가장 큰 영향을 미친다. 수치 응력해석 결과도 실험 결과와 잘 일치하였으며, 응력이 낮을수록 마이크로비아의 신뢰성은 증가하였다. 본 실험과 수치해석의 결과는 향후 SLP 기판 제작 및 신뢰성 향상을 위한 유용한 설계 가이드라인으로 활용될 것으로 판단된다. Recently, market demands of miniaturization, high interconnection density, and fine pitch of PCBs continuously keep increasing. Therefore, SLP (substrate like PCB) technology using a modified semi additive process (MSAP) has attracted great attention. In particular, SLP technology is essential for the development of high-capacity batteries and 5G technology for smartphones. In this study, the reliability of the microvia of hybrid SLP, which is made of conventional HDI (high density interconnect) and MSAP technologies, was investigated by experimental and numerical analysis. Through thermal cycling reliability test using IST (interconnect stress test) and finite element numerical analysis, the effects of various parameters such as prepreg properties, thickness, number of layers, microvia size, and misalignment on microvia reliability were investigated for optimal design of SLP. As thermal expansion coefficient (CTE) of prepreg decreased, the reliability of microvia increased. The thinner the prepreg thickness, the higher the reliability. Increasing the size of the microvia hole and the pad will alleviate stress and improve reliability. On the other hand, as the number of prepreg layers increased, the reliability of microvia decreased. Also, the larger the misalignment, the lower the reliability. In particular, among these parameters, CTE of prepreg material has the greatest impact on the microvia reliability. The results of numerical stress analysis were in good agreement with the experimental results. As the stress of the microvia decreased, the reliability of the microvia increased. These experimental and numerical results will provide a useful guideline for design and fabrication of SLP substrate.
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조영민(Youngmin Cho),김기환(Gi-Hwan Kim),박덕신(Duck-Shin Park),권순박(Soon-Bark Kwon),정우성(Woo-Sung Jung) 한국산학기술학회 2015 한국산학기술학회 학술대회 Vol.2015 No.1
겨울철에 도시철도를 이용하는 승객들은 객실 내부 온도에 만족하기 어려운데, 그 이유는 객실 내부의 온도가 위치에 따라 다르기 때문이다. 특히 잦은 출입문 개폐와 난방기의 가동은 객실 내부의 온도 차이를 크게 만드는 원인이 되고 있다. 일반적으로 객실 내부의 온도 분포를 보면 같은 높이의 동일한 평면에서는 거의 비슷한 온도를 나타내지만, 높이에 따라서는 온도가 크게 달라진다. 이에 본 연구에서는 객실 내부에서 수직 높이에 따라 온도가 어떻게 달라지는지 알아보았다. 시험용 차량을 온도 제어가 가능한 대형 챔버에 넣고, 저온으로 유지하였다. 객차 내부에는 온도를 측정할 수 있는 열전대를 다양한 높이에 설치하고, 난방기를 가동한 후에 객실 내부에서 높이에 따른 온도를 측정하였다. 실험결과 객차 내부 바닥에서의 높이가 높아질수록 온도도 크게 상승함을 볼 수 있었으며, 이 온도 차이는 5도~8도까지 나타나 동일한 실내공간에서 앉아 있는 승객과 서 있는 승객이 다른 온도에 노출됨을 알 수 있었다. 본 결과는 향후 객실의 열적 쾌적성을 향상시키는 방안을 도출하는데 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
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외기 온도와 난방 출력의 철도차량 객실 온도에 대한 영향 연구
조영민(Cho, Youngmin),박덕신(Park, Duck-Shin),권순박(Kwon, Soon-Bark),정우성(Jung, Woo-Sung) 한국산학기술학회 2014 한국산학기술학회논문지 Vol.15 No.9
최근 기후변화와 기상이변 등으로 동절기에 더욱 가혹한 기상 조건이 자주 보고되고 있다. 그러나, 철도차량의 난방 용량은 이렇게 극도로 추운 기후환경에서는 객실을 난방하기에 충분하지 않은 경우가 많으며, 이는 난방에 대한 승객의 민원 을 야기하는 주요 원인이 되고 있다. 본 연구에서는 외기 온도와 난방 출력이 객실 온도에 미치는 영향을 알아봄으로써 차량 의 난방용량에 따른 운행 가능한 외기온도를 실험적으로 도출하고자 하였다. 실험방법으로는 우선 시험용 철도차량을 대형 기후환경 챔버에 넣고, 다양한 외기온도조건을 모사하였다. 난방 장치 출력의 영향은 난방 장치의 출력을 변화시키면서 객실 의 온도를 측정하여 조사하였다. 외기온도가 -10 ℃인 조건에서는 난방기의 출력을 최대로 한 경우에도 객실의 평균 온도는 14.0 ℃에 불과하여, 동절기의 객실온도 최소 요구조건인 18 ℃보다 훨씬 낮았으나, 외기 온도가 0 ℃와 10 ℃인 경우의 객실 온도는 각각 26.1 ℃와 34.0 ℃였다. 내삽법으로 계산한 결과 객실 내부 온도를 18 ℃ 이상으로 유지할 수 있는 최저 외기온도 는 ?6.7 ℃임을 알 수 있었다. 객실 내부에서의 수직 온도 차이는 난방기 출력이 높을수록, 외기온도가 높을수록 커서 10 K 이상 차이가 나는 경우도 있었다. 그러나, 수평 온도 차이는 난방기 출력이나 외기온도에 무관하게 최대 2 K 이하로 매우 낮게 나타났다. 따라서, 우수한 난방성능을 확보하기 위해서는 수직 온도 차이를 줄이는 것이 중요함을 알 수 있었다. Recently, abnormally cold weather has been reported more frequently in winter due to the climate change and abnormal weather changes. On the other hand, the heating capacity of a railcar may be not enough to warm the cabin under severe cold climatic conditions, which is one of the reasons for the passengers’ complaints about heating. In this study, the effects of ambient temperature and heater power on the cabin temperature was investigated to obtain the minimum ambient temperature for the tested railcar. The test railcar was placed in a large-climatic chamber, and various ambient temperature conditions were simulated. The effects of the heater output were investigated by monitoring the cabin temperature under a range of heater output conditions. The mean cabin temperature was 14.0 ℃, which was far lower than the required minimum temperature of 18 ℃, under a ?10 ℃ ambient temperature condition with the maximum heat power. When the ambient temperature was set to 0 ℃ and 10 ℃, the maximum achievable cabin temperature was 26.1 ℃ and 34.0 ℃. Through calculations using the interpolation method, the minimum ambient temperature to maintain an 18 ℃ cabin temperature was ?6.7 ℃ for this car. The vertical temperature difference was higher with a higher power output and higher ambient temperature. The maximum vertical temperature difference was higher than 10 °C in some cases. However, the horizontal temperature difference vs. low temperature (< 2 °C) was independent of the power output and ambient temperature. As a result, it is very important to reduce the vertical temperature difference to achieve good heating performance.
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