수치해석에 의한 초박형 패키지의 휨 현상 및 응력 특성에 관한 연구

Numerical Study of Warpage and Stress for the Ultra Thin Package

최근 휴대폰, PDA 등과 같은 모바일 전자 기기들의 사용이 급증하면서 다기능, 고성능, 초소형의 패키지가 시장에서 요구되고 있다. 따라서 사용되는 패키지의 크기도 더 작아지고 얇아지고 있다. 패키지에 사용되는 실리콘 다이 및 기판의 두께가 점점 얇아지면서 휨 변형, 크랙 발생, 및 기타 여러 신뢰성 문제가 크게 대두되고 있다. 이러한 신뢰성 문제는 서로 다른 패키지 재료의 열팽창계수의 차이에 의하여 발생된다. 따라서 초박형의 패키지의 경우 적절한 패키지 물질과 두께 및 크기 등의 선택이 매우 중요하다. 본 논문에서는 현재 모바일 기기에 주로 사용되고 있는 CABGA, fcSCP, SCSP 및 MCP (Multi-Chip Package) 패키지에 대하여 휨과 응력의 특성을 수치해석을 통하여 연구하였다. 특히 휨 현상에 영향을 줄 수 있는 여러 중요 인자들, 즉 EMC 몰드의 두께 및 물성(탄성계수 및 열팽창 계수), 실리콘 다이의 두께와 크기, 기판의 물성 등이 휨 현상에 미치는 영향을 전반적으로 고찰하였다. 이를 통하여 휨 현상 메커니즘과 이를 제어하기 위한 중요 인자를 이해함으로써 휨 현상을 최소화 하고자 하였다. 휨 해석 결과 가장 큰 휨 값을 보인 SCSP에 대하여 실험계획법의 반응표면법을 이용하여 휨이 최소화되는 최적 조합을 구하였다. SCSP 패키지에서 휨에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 EMC 두께 및 열팽창 계수, 기판의 열팽창계수, 그리고 실리콘 다이의 두께였다. 궁극적으로 최적화 해석을 통하여 SCSP의 휨을 10 µm로 줄일 수 있음을 알 수 있었다.

Semiconductor packages are increasingly moving toward miniaturization, lighter and high performance. Futhermore, packages become thinner. Thin packages will generate serious reliability problems such as warpage, crack and other failures. Reliability problems are mainly caused by the CTE mismatch of various package materials. Therefore, proper selection of the package materials and geometrical optimization is very important for controlling the warpage and the stress of the package. In this study, we investigated the characteristics of the warpage and the stress of several packages currently used in mobile devices such as CABGA, fcSCP, SCSP, and MCP. Warpage and stress distribution are analyzed by the finite element simulation. Key material properties which affect the warpage of package are investigated such as the elastic moduli, CTEs of EMC molding and the substrate. Geometrical effects are also investigated including the thickness or size of EMC molding, silicon die and substrate. The simulation results indicate that the most influential factors on warpage are EMC molding thickness, CTE of EMC, elastic modulus of the substrate. Simulation results show that warpage is the largest for SCSP. In order to reduce the warpage, DOE optimization is performed, and the optimization results show that warpage of SCSP becomes 10 µm.