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수치해석을 이용한 전동차용 IGBT 모듈의 피로 수명 예측
권오영,장영문,이영호,좌성훈,Kwon, Oh Young,Jang, Young Moon,Lee, Young-ho,Choa, Sung-Hoon 한국마이크로전자및패키징학회 2017 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.24 No.1
본 연구에서는 전동차의 전력 변환 장치로 많이 사용되고 있는 고전압 대전류용(3,300 V/1200 A급) insulated gate bipolar transistor(IGBT) 모듈에 대하여 열 사이클 조건하에서의 열-기계적 응력해석 및 피로수명해석을 수행하였다. 특히 최근 고전압 IGBT용으로 개발되고 있는 구리(copper) 와이어, 리본(ribbon) 와이어를 사용하였을 경우의 응력 및 피로수명을 기존의 알루미늄 와이어와 비교하여 분석하였다. 알루미늄 와이어 보다는 구리 와이어에 응력이 3배 이상 많이 발생하였다. 리본 와이어의 경우 원형 와이어 보다 응력이 더 크게 발생하며, 구리 리본 와이어의 응력이 제일 높았다. 칩과 direct bond copper(DBC)를 접합하고 있는 칩 솔더부의 피로해석을 수행한 결과, 솔더의 크랙은 주로 솔더의 모서리에서 발생하였다. 원형 와이어를 사용할 경우 솔더의 크랙은 약 35,000 사이클에서 발생하기 시작하였으며, 알루미늄 와이어 보다는 구리 와이어에서의 크랙의 발생 면적이 더 컸다. 반면 리본 와이어를 사용하였을 경우 크랙의 면적은 원형 와이어를 사용하였을 경우보다 적음을 알 수 있다. DBC와 베이스 플레이트 사이에 존재하는 솔더의 경우 크랙의 성장 속도는 와이어의 재질이나 형태에 관계없이 비슷하였다. 그러나 칩 솔더에 비하여 크랙의 발생이 일찍 시작하며, 40,000 사이클이 되면 전체 솔더의 반 이상이 파괴됨을 알 수 있었다. 따라서 칩 솔더 보다는 DBC와 베이스 플레이트 사이에 존재하는 솔더의 신뢰성이 더 큰 문제가 될 것으로 판단된다. In this study, the thermomechanical stress and fatigue analysis of a high voltage and high current (3,300 V/1200 A) insulated gate bipolar transistor (IGBT) module used for electric locomotive applications were performed under thermal cycling condition. Especially, the reliability of the copper wire and the ribbon wire were compared with that of the conventional aluminum wire. The copper wire showed three times higher stress than the aluminum wire. The ribbon type wire showed a higher stress than the circular type wire, and the copper ribbon wire showed the highest stress. The fatigue analysis results of the chip solder connecting the chip and the direct bond copper (DBC) indicated that the crack of the solder mainly occurred at the outer edge of the solder. In case of the circular wire, cracking of the solder occurred at 35,000 thermal cycles, and the crack area in the copper wire was larger than that of the aluminum wire. On the other hand, when the ribbon wire was used, the crack area was smaller than that of the circular wire. In case of the solder existing between DBC and base plate, the crack growth rate was similar regardless of the material and shape of the wire. However, cracking occurred earlier than chip solder, and more than half of the solder was failed at 40,000 cycles. Therefore, it is expected that the reliability of the solder between DBC and base plate would be worse than the chip solder.
봉지막이 박형 실리콘 칩의 파괴에 미치는 영향에 대한 수치해석 연구
좌성훈,장영문,이행수,Choa, Sung-Hoon,Jang, Young-Moon,Lee, Haeng-Soo 한국마이크로전자및패키징학회 2018 마이크로전자 및 패키징학회지 Vol.25 No.1
최근 플렉서블 OLED, 플렉서블 반도체, 플렉서블 태양전지와 같은 유연전자소자의 개발이 각광을 받고 있다. 유연소자에 밀봉 혹은 봉지(encapsulation) 기술이 매우 필요하며, 봉지 기술은 유연소자의 응력을 완화시키거나, 산소나 습기에 노출되는 것을 방지하기 위해 적용된다. 본 연구는 봉지막(encapsulation layer)이 반도체 칩의 내구성에 미치는 영향을 고찰하였다. 특히 다층 구조 패키지의 칩의 파괴성능에 미치는 영향을 칩의 center crack에 대한 파괴해석을 통하여 살펴보았다. 다층구조 패키지는 폭이 넓어 칩 위로만 봉지막이 덮고있는 "wide chip"과 칩의 폭이 좁아 봉지막이 칩과 기판을 모두 감싸고 있는 "narrow chip"의 모델로 구분하였다. Wide chip모델의 경우 작용하는 하중조건에 상관없이 봉지막의 두께가 두꺼울수록, 강성이 커질수록 칩의 파괴성능은 향상된다. 그러나 narrow chip모델에 인장이 작용할 때 봉지막의 두께가 두껍고 강성이 커질수록 파괴성능은 악화되는데 이는 외부하중이 바로 칩에 작용하지 않고 봉지막을 통하여 전달되기에 봉지막이 강하면 강한 외력이 칩내의 균열에 작용하기 때문이다. Narrow chip모델에 굽힘이 작용할 경우는 봉지막의 강성과 두께에 따라 균열에 미치는 영향이 달라지는데 봉지막의 두께가 작을 때는 봉지막이 없을 때보다 파괴성능이 나쁘지만 강성과 두께의 증가하면neutral axis가 점점 상승하여 균열이 있는 칩이 neutral axis에 가까워지게 되므로 균열에 작용하는 하중의 크기가 급격히 줄어들게 되어 파괴성능은 향상된다. 본 연구는 봉지막이 있는 다층 패키지 구조에 다양한 형태의 하중이 작용할 때 패키지의 파괴성능을 향상시키기 위한 봉지막의 설계가이드로 활용될 수 있다. Recently, there has been rapid development in the field of flexible electronic devices, such as organic light emitting diodes (OLEDs), organic solar cells and flexible sensors. Encapsulation process is added to protect the flexible electronic devices from exposure to oxygen and moisture in the air. Using numerical simulation, we investigated the effects of the encapsulation layer on mechanical stability of the silicon chip, especially the fracture performance of center crack in multi-layer package for various loading condition. The multi-layer package is categorized in two type - a wide chip model in which the chip has a large width and encapsulation layer covers only the chip, and a narrow chip model in which the chip covers both the substrate and the chip with smaller width than the substrate. In the wide chip model where the external load acts directly on the chip, the encapsulation layer with high stiffness enhanced the crack resistance of the film chip as the thickness of the encapsulation layer increased regardless of loading conditions. In contrast, the encapsulation layer with high stiffness reduced the crack resistance of the film chip in the narrow chip model for the case of external tensile strain loading. This is because the external load is transferred to the chip through the encapsulation layer and the small load acts on the chip for the weak encapsulation layer in the narrow chip model. When the bending moment acts on the narrow model, thin encapsulation layer and thick encapsulation layer show the opposite results since the neutral axis is moving toward the chip with a crack and load acting on chip decreases consequently as the thickness of encapsulation layer increases. The present study is expected to provide practical design guidance to enhance the durability and fracture performance of the silicon chip in the multilayer package with encapsulation layer.
Analytical and experimental study on the quality improvement of 2 cavity injection-molded LCD frame
손재환(Son, Jae-Hwan),장은실(Jang, Eun-Sil),한창우(Han, Chang-Woo),손재용(Son, Jae-Yong),이영문(Lee, Young-Moon) 한국산학기술학회 2012 한국산학기술학회논문지 Vol.13 No.9
LCD 프레임은 중․대형 TFT-LCD BLU의 기본형상을 유지시켜주는 중요한 부분이다. 중․대형 LCD 프레임을 효율적으로 생산하기 위해 1 캐비티에서 2 캐비티 사출 공정으로의 개선이 필요하다. 2 캐비티 금형 구조는 콤팩트하 게 되었고 핫 런너 존이 증가되었기 때문에 사출온도를 조절하기 어렵게 되었다. 본 연구에서는 2 캐비티 사출성형공 정으로 생산된 프레임에 대한 품질을 평가하기 위해서 유한요소해석 프로그램을 사용하여 사출해석을 수행하였다. 1 캐비티와 2 캐비티 공정에서 계산된 사출압력과 최대 변형량은 각각 41.13 MPa과 1.62 ㎜, 40.49 MPa과 1.66 ㎜이 다. 1 캐비티 프레임의 측정된 최대 굽힘 하중, 표면거칠기가 140 N, 0.13 ㎛, 인데 비하여 2 캐비티 중 좌, 우 프레 임의 측정값들은 209 N, 0.08 ㎛와 193 N, 0.10 ㎛이다. 열화상은 2 캐비티 금형 중 좌․우 금형 온도의 최대 표준 편 차값은 1.23 ℃임을 나타내고 있다. 시뮬레이션과 측정은 전체적으로 2 캐비티 사출공정의 프레임 품질이 1 캐비티 품질보다 나쁘지 않다는 것을 보여주고 있다. 그러나 2 캐비티 공정에서 프레임의 최대 굽힘 하중값은 1 캐비티 공정 의 하중값보다 매우 증가되었다. The LCD frame is an important part which supports the BLU of medium/large sized TFT-LCD. To produce it efficiently, it is necessary to achieve the molding process improvement from 1 cavity to 2 cavity system. Because 2 cavity mold is compact and its hot-runner zone is broadened, it is difficult to control the temperature on the mold. In this study, injection molding analysis on the frame in 2 cavity process with FEA(Finite Element Analysis) software is carried out to estimate its quality. The calculated injection molding pressures and maximum deflection in 1 and 2 cavity processes are 41.13 MPa and 1.62 ㎜, 40.49 MPa and 1.66 ㎜ respectively. The measured maximum flexure load and surface roughness of the left and right frame of 2 cavities are 209 N and 0.08 ㎛, 193 N and 0.10 ㎛ while those in 1 cavity are 140 N and 0.13 ㎛. Thermal image shows that the maximum standard deviation of the temperature on left and right side of 2 cavity mold is 1.23 ℃ The simulation and measurement results show that the quality of the frame in 2 cavity injection molding process as a whole is not worse than that of 1 cavity system. But maximum flexure loads of the frame in 2 cavity process are far greater than that in 1 cavity process.