굽힘응력을 받는 유연전자소자에서 중립축 위치의 제어
Control of Position of Neutral Line in Flexible Microelectronic System Under Bending Stress
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초록
유연전자소자가 외부힘에 의해 변형될 경우 반도체 다이가 기계적 응력 때문에 변형되거나 파괴되고 이러한변형이나 파괴는 channel의 전자이동도를 변화시키거나 배선의 저항을 증가시켜 집적회로의 동작 오류를 발생시킨다. 따라서 반도체 집적회로는 굽힘 변형이 발생해도 기계적 응력이 발생하지 않는 중립축에 위치하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 굽힘변형을 하는 flip-chip 접합공정이 적용된 face-down flexible packaging system에서 중립축의 위치와 파괴모드를 조사하였고 반도체 집적회로와 집중응력이 발생한 곳의 응력을 감소시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 이를 위해, 설계인자로 유연기판의 두께 및 소재, 반도체 다이의 두께를 고려하였고 설계인자가 중립축의 위치에 미치는 영향을 조사한 결과 유연기판의 두께가 중립축의 위치를 조절하는데 유용한 설계인자임을 알 수 있었다. 3차원 모델을 이용한 유한요소해석 결과 반도체 다이와 유연기판 사이의 Cu bump 접합부에서 항복응력보다 높은 응력이 인가될 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 flexible face-down packaging system에서 반도체 다이와 Cu bump 의 응력을 감소시킬 수 있는 설계 방법을 제안하였다.
Abstract
A flexible electronic device deformed by external force causes the failure of a semiconductor die. Even without failure, the repeated elastic deformation changes carrier mobility in the channel and increases resistivity in the interconnection, which causes malfunction of the integrated circuits. Therefore it is desirable that a semiconductor die be placed on a neutral line where the mechanical stress is zero. In the present study, we investigated the effects of design factors on the position of neutral line by finite element analysis (FEA), and expected the possible failure behavior in a flexible face-down packaging system assuming flip-chip bonding of a silicon die. The thickness and material of the flexible substrate and the thickness of a silicon die were considered as design factors. The thickness of a flexible substrate was the most important factor for controlling the position of the neutral line. A three-dimensional FEA result showed that the von Mises stress higher than yield stress would be applied to copper bumps between a silicon die and a flexible substrate. Finally, we suggested a designing strategy for reducing the stress of a silicon die and copper bumps of a flexible face-down packaging system.
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