Prediction of mechanical reliability considering the usage environment of the solder joint of various semiconductor products

Abstract

과거의 반도체 제품은 데스크톱 컴퓨터, 데이터 센터 등 고정된 정적인 환경에서 사용되어 왔다. 하지만 현재 반도체 제품은 자동차, 휴대폰, 태블릿, 노트북와 같은 동적인 환경에서도 사용되고 있다. 사용 환경이 다양해짐에 따라 반도체 장치는 제작, 운송, 작동, 열 등 환경에 더하여 진동, 충격, 굽힘 등 더욱 다양한 외력에 쉽게 노출되었다. 더욱이, 반도체 제품이 사람의 안전과 관련되거나 중요한 data 저장에 사용됨에 따라 반드시 반도체 제품의 신뢰성이 보장에 대한 요구는 증가하고 있다. 최근의 반도체 제품은 기판에 실리콘 die가 포함된 패키지를 솔더 조인트로 실장하여 만들어진다. 이렇게 만들어진 반도체 제품은 기판과 패키지를 전기적, 기계적으로 연결하는 솔더 조인트는 가장 취약한 부위이다. 이에 따라 솔더 조인트의 신뢰성에 대한 연구와 기준들의 요구가 증가하고 있다. 특히, JEDEC은 솔더 조인트의 다양한 신뢰성 평가 규격을 제시하여 이러한 요구에 적극적으로 대응하였다. 본 연구에서는 JEDEC에서 제시하는 신뢰성 평가 기준을 따라 다양한 반도체 제품 및 다양한 사용 환경에서 솔더 조인트의 신뢰성을 분석하였다. 또한, 신뢰성 분석을 바탕으로 신뢰성 개선 방안을 제시하였다. 첫째, 전자기기의 신뢰성, 전자기기의 응력, SSD, 마이크로 범프, daisy chain, global local modeling method, 솔더 조인트의 피로 파괴 예측, Steinberg의 three band 기법에 대한 본 논문의 연구 배경과 연구 목표와 요지를 설명하였다. 둘째, 본 논문은 random 진동환경에서 BLR 시험 보드의 피로 수명을 예측하는 방법을 연구하였다. 모달 실험과 해석을 통하여 고유진동수, 주파수응답함수와 감쇠비를 도출하였으며, 개발한 유한 요소 모델을 검증하였다. 또한 강제 진동 수명 실험을 통하여 BLR 시험 보드의 피로 수명을 측정하였으며, 강제 진동 해석을 통하여 응력을 계산하였다. 해석에서 도출된 응력과 실험에서 측정된 피로 수명을 이용하여 BLR 시험 보드 솔더 볼의 S-N 곡선을 도출하였다. 랜덤 해석을 통하여 랜덤 진동 환경에서 BLR 시험 보드의 응력을 계산하였으며 앞서 도출한 S-N 곡선과 Steinberg three interval 기법을 적용하여 랜덤 진동에서의 BLR 시험 보드의 수명을 예측하였다. 랜덤 진동에서의 수명 실험을 수행하였으며 실제 진동 수명과 예측 수명을 비교하여 정합성을 확인하였다. 셋째, 본 논문은 유한 요소 해석과 몬테 카를로 시뮬레이션을 통하여 제작 공차와 온도 조건이 열 순환 환경에서 SSD의 수명에 미치는 영향을 연구하였다. 제작 공차를 입력하여 자동으로 SSD의 유한 요소 모델을 만들어주는 방법을 개발하였다. 모달 해석과 실험을 수행하였으며, 이를 통해 개발한 유한 요소 모델의 정합성을 확인하였다. 개발된 SSD 유한 요소 모델을 열 순환 환경에 대하여 거동을 해석하였다. 해석에서 도출된 가장 취약한 솔더볼의 소성 변형 에너지 밀도를 Morrow의 에너지 기반 피로 파괴 모델에 대입하여 SSD의 열 순환 환경에서 수명을 예측하였다. 몬테 카를로 시뮬레이션을 활용하여 제작 공차를 고려하여 해석을 반복하였고, 수명 분포, 각 변수 별 영향을 분석하였다. 마지막으로, 본 연구는 마이크로 범프의 구조에 따른 전단 환경에서 신뢰성을 연구하였다. 4 가지 마이크로 범프 구조와 전단 속도에 따른 반력, 파괴 형태 및 구조 별 전단 강도를 측정하기 위하여 전단 시험을 수행하였다. 마이크로 범프의 유한 요소 모델을 개발하여 실험과 동일한 조건에서 전단 해석을 수행하였다. 실험에서 측정된 반력과 해석으로 계산된 반력을 비교하여 모델을 검증하였다. 해석과 실험 결과로 텅스텐 via의 영향을 확인하였으며 가장 취약한 파괴 형태와 각 구조별 마이크로 범프의 전단 강도를 판별하였다. 또한 마이크로 범프의 패시베이션 두께와 바닥 직경을 설계 변수로 전단 시험에서 거동을 해석하였다. 해석결과를 바탕으로 전단 강도가 증가할 것으로 사료되는 마이크로 범프의 구조적 개선안을 제안하였다.