패키지 열-기계 신뢰성 분석을 위한 연속체역학 이론에 관한 리뷰

Review of Continuum Mechanical Theories for the Thermal-Mechanical Reliability Analysis of Packages

최근 마이크로전자 패키징 분야에서 칩렛 아키텍처 및 이종 접합 기술을 포함한 발전이 급속히 이루어지고 있다. 이러한 발전은 복잡한 배선연결과 다양한 이종 소재 도입을 필요로 하며, 이는 패키징의 열적 및 기계적 특성에 영향을 미쳐 반도체 성능과 신뢰성에 영향을 준다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 패키지의 열-기계적 거동을 분석하는 체계적인 접근이 필요하다. 열-기계 연계 거동을 분석하는 방법은 연속체역학 이론, 재료물성 평가, 구조패턴 고려 등 여러 방법을 종합적으로 고려해야 한다. 많은 연구에서 재료 물성 평가 및 구조 패턴 고려에 대한논의가 있었지만, 연속체역학 이론 및 패키지 적용에 대한 논의는 상대적으로 부족하다. 본 논문은 연속체역학에 집중하여, 이론과 이를 패키지의 열-기계 연계 거동 분석을 위한 프레임워크에 대해 논의한다. 본 논문은 먼저 연속체역학 이론에서 적용되는 열-기계적 균형 법칙과 에너지 소산을 도출하는 방법을 논의하고, 열역학 법칙에서 기계적 및 열적 측면의 결합과 재료의 구성 방정식의 정밀한 구성 중요성에 대해 논의한다. 마지막으로 연속체역학을 패키지 분석에 사용하기 위한 방법론으로서 전통적인 분석 방법, 시뮬레이션, 인공지능을 이용한 구조 특성 평가의 장단점을 논의한다. 패키징의 열-기계적 거동이 점점 더 복잡해짐에 따라 연속체역학의 이해는 패키지의 거동을 분석하고, 최적화하며 신뢰성을 확보하는 데 중요한 역할을 할 것이다.

Recent advancements in microelectronic packaging, such as chiplet architectures and heterogeneous integration, require dissimilar materials and complex interconnects, which affect thermal and mechanical behaviors, impacting semiconductor performance and reliability. To address these challenges, a systematic approach to analyzing thermal-mechanical behavior is essential. This includes methods like continuum mechanics theory, material property evaluation, and structural pattern consideration. While progress has been made in material evaluation and structural patterns, discussions on applying continuum mechanics theory to packaging remain limited. This paper reviews continuum mechanics, focusing on its application for analyzing thermal-mechanical coupling in packaging. It covers thermal-mechanical equilibrium laws, dissipation, and the importance of combining mechanical and thermal aspects in thermodynamic laws, as well as formulating material constitutive equations. Finally, it compares traditional analytical methods, simulations, and AI-based evaluations for applying continuum mechanics in package analysis. As packaging becomes more complex, understanding continuum mechanics will be crucial in optimizing and ensuring package reliability.