습윤 및 고온 환경하에서 박막의 기계적 거동 및 신뢰성 평가

국문 초록 (Abstract)

반도체 패키징 구조는 제조 공정 및 사용 환경에서 다양한 열·습윤 조건에 노출되며, 이에 따라 구성 소재의 기계적 물성이 변화한다. 그러나 패키징 구조의 전산 해석에서는 이러한 환경 조건에 따른 비선형 거동을 충분히 반영하지 못하는 경우가 많아, 열응력 예측의 신뢰성이 저하될 가능성이 있다. 본 연구에서는 Polyimide의 흡습 특성을 반영한 기계적 물성을 확보하기 위해 in-situ 및 ex-situ 인장시험을 수행하였으며, in-situ 조건에서 흡습 시간 증가에 따라 최대 인장강도가 감소하는 거동을 확인하고 SEM 분석을 통해 그 원인을 확인해 보았다. 또한, 구리 박막의 고온 거동을 평가하기 위해 25℃–250℃ 범위에서 고온 인장시험을 진행한 결과, 온도 상승에 따라 탄성계수, 항복강도 및 최대 인장강도가 모두 감소하는 것을 확인하였다. 마지막으로 확보된 환경 기반 물성을 Fan-out 패키징 구조의 열응력 해석에 적용한 결과, 선형탄성 물성만을 사용하는 경우에 비해 환경 물성을 반영한 모델에서 응력 수준이 낮아지고 열사이클 동안 비선형적인 응력 거동이 나타남을 확인하였다. 이를 통해 환경 조건에 따른 물성 반영이 패키징 구조의 열응력 예측 정확도 향상에 중요한 점임을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Semiconductor packaging structures are exposed to various thermal and humid conditions during manufacturing processes and service environments, leading to changes in the mechanical properties of constituent materials. However, in many numerical analyses of packaging structures, nonlinear material behavior induced by such environmental conditions is not sufficiently considered, which can reduce the reliability of thermal stress prediction. In this study, in-situ and ex-situ tensile tests were conducted to obtain moisture-dependent mechanical properties of polyimide, revealing a decrease in ultimate tensile strength with increasing moisture exposure time under in-situ conditions. In addition, high-temperature tensile tests were performed in the temperature range of 25°C–250°C to evaluate the thermal behavior of copper thin films, showing that elastic modulus, yield strength, and ultimate tensile strength decrease with increasing testing temperature. Finally, the experimentally obtained environment-dependent material properties were implemented in thermal stress analyses of a fan-out packaging structure, demonstrating lower stress levels and nonlinear stress behavior during thermal cycling compared to analyses using linear elastic properties only.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 iii
• 표목차 v
• 국문초록 vi
• 제 1 장 서론
• 제 1 절 연구 배경 1
• 제 2 절 연구 목적 3
• 제 2 장 Polyimide 소재의 흡습에 따른 기계적 거동 평가
• 제 1 절 흡습 환경에서 Polyimide 소재 5
• 제 2 절 시편 제작 및 시험 방법
• 2.1 흡습 환경 미소 인장 시험기 6
• 2.2 흡습률 측정 시험 7
• 2.3 흡습 환경 인장 시험 시편 준비 및 시험 방법 9
• 제 3 절 시험 결과 및 토론
• 3.1 PI film 흡습인장 시험 결과 10
• 3.2 표면 및 절단면 분석 13
• 제 3 장 고온 환경에서 구리 박막의 기계적 거동 평가
• 제 1 절 반도체 패키징 구조에서 고온 환경의 구리 박막 16
• 제 2 절 시편 제작 및 시험 방법
• 2.1 고온 인장 시험기 17
• 2.2 고온 인장 시험 시편 준비 및 시험 방법 19
• 제 3 절 시험 결과 및 토론
• 3.1 구리 박막 상온 및 고온 인장 시험 결과 21
• 3.2 온도별 구리 박막의 단면 분석 23
• 제 4 장 공정 환경 물성을 반영한 신뢰성 환경 조건에서의 패키징 구조 해석
• 제 1 절 반도체 패키징의 환경 물성 기반 열응력 전산 해석 25
• 제 2 절 유한요소해석 모델
• 2.1 시뮬레이션 모델 구성 26
• 2.2 물성 및 경계조건 29
• 제 3 절 유한요소해석 시뮬레이션 결과
• 3.1 재배선층에서 주요 소재의 열응력 해석 결과 31
• 3.2 환경 변화를 반영한 물성의 열응력 결과 영향성 32
• 제 5 장 결론 35
• 참고문헌 36
• Abstract 40