다양한 기계적 하중조건에서 초기 형상이 솔더볼의 비탄성 변형에 미치는 영향에 관한 수치적 연구
A Numerical Study on the Effect of Initial Shape on Inelastic Deformation of Solder Balls under Various Mechanical Loading Conditions
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초록
BGA(ball grid array)는 높은 집적도와 우수한 방열 성능을 갖고 있어 널리 이용되는 방식의 패키지이다. BGA 에서 솔더볼은 패키지와 PCB를 전기적으로 연결하는 중요한 역할을 하므로, 다양한 기계적 하중 하에서 솔더볼의 비탄성 변형을 이해하는 것은 반도체 패키지의 강건설계에 필수적이다. 본 연구에서는 공정 중 PCB의 휨, die와 substrate 간의 열팽창 계수 차이 등으로 인해 소성변형이 발생한 솔더볼의 초기 형상이 비탄성 변형과 파단에 미치는 영향을 유한요소 해석으로 분석하였다. 시뮬레이션 결과, shear와 bending 하중에서 tilted, hourglass 형상 모두 파단이 발생한 반면, compression 하중이 작용하는 경우는 모두 파단이 발생하지 않았다. Shear와 bending 하중에 compression이 각각 결합될경우, 응력삼축비가 0보다 작은 값으로 유지되어 파단이 억제되었다. 또한 변형에 취약한 요소의 Lagrangian-Green 변형률 텐서를 이용해 비교한 결과, 동일한 하중 조건이라도 솔더볼의 형상에 따라 변형의 양상에 유의미한 차이가 있음을 확인하였다.
Abstract
Ball Grid Array (BGA) is a widely used package type due to its high pin density and good heat dissipation. In BGA, solder balls play an important role in electrically connecting the package to the PCB. Therefore, understanding the inelastic deformation of solder balls under various mechanical loads is essential for the robust design of semiconductor packages. In this study, the geometrical effect on the inelastic deformation and fracture of solder balls were analyzed by finite element analysis. The results showed that fracture occurred in both tilted and hourglass shapes under shear loading, and no fracture occurred in all cases under compressive loading. However, when bending was applied, only the tilted shape failed. When shear and bending loads were combined with compression, the stress triaxiality was maintained at a value less than zero and failure was suppressed. Furthermore, a comparison using the Lagrangian-Green strain tensor of the critical element showed that even under the same loading conditions, there was a significant difference in deformation depending on the shape of the solder ball.
참고문헌 (17)
- 노은채, "첨단 반도체 패키징을 위한 미세 피치 Cu Pillar Bump 연구 동향", 마이크로전자 및 패키징학회지, 30(3), pp.1~10 (2023), 한국마이크로전자및패키징학회
- A. Surrendar, "Effect of thermo-mechanical fatigue and lower cycle fatigue interaction on performance of solder joints", IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 18(4), pp.606~612 (2018)
- H. L. J. Pang, "Microstructure and intermetallic growth effects on shear and fatigue strength of solder joints subjected to thermal cycling aging", Materials Science and Engineering : A, 307(1-2), pp.42~50 (2001)
- 조승현, "수치해석을 이용한 Package on Package용 PCB의 Warpage 감소를 위한 Unit과 Substrate 레벨의 강건설계 연구", 마이크로전자 및 패키징학회지, 28(4), pp.31~39 (2021), 한국마이크로전자및패키징학회
- 김유권, "솔더 합금 종류 및 솔더 조인트의 신뢰성 평가 기법", 마이크로전자 및 패키징학회지, 30(1), pp.17~29 (2023), 한국마이크로전자및패키징학회
- E. H. Lee, "Modeling anisotropic inelastic effects in sheet metal forming using microstructural vectors-Part I : Theory", Int. J. Plast, 134, pp.102783~ (2022)
- E. H. Lee, "Eulerian constitutive equations for the coupled influences of anisotropic yielding, the Bauschinger effect and the strength-differential effect for plane stresses", Int. J. Solids Struct, 241, pp.111475~ (2022)
- T. B. Stoughton, "Anisotropic hardening and non-associated flow in proportional loading of sheet metals", Int. J. Plast, 25, pp.1777~1817 (2009)
- J. W. Yoon, "Plane stress field function for aluminum alloy sheets-part II : FE formulation and its implementation", Int. J. Plast, 19(9), pp.1297~1319 (2003)
- Y. Lou, "New ductile fracture criterion for prediction of fracture forming limit diagrams of sheet metals", Int. J. Solids Struct, 49, pp.3605~3615 (2012)
- N. Park, "Fracture-based forming limit criteria for anisotropic materials in sheet metal forming", Int, J. Plast, 96, pp.1~35 (2017)
- G. R. Johnson, "Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures, and pressures", Eng. Fract. Mech, 21, pp.31~48 (1985)
- W. K. Loh, "Recent trends of package warpage and measurement metrologies", Proc. International Conference on Electronics Packaging (ICEP), pp.89~93 (2016)
- F. Qin, "Strain rate effects and ratedependent constitutive models of lead-based and lead-free solders", J. Appl. Mech, 77, pp.01008~ (2010)
- J. H. Lim, "Numerical investigation of the evolving inelastic deformation path of a solder ball joint under various loading conditions", Appl. Sci, 13(22), pp.12137~ (2023)
- E. H. Lee, "Elastic-plastic deformation at finite strains", J. Appl. Mech, 36, pp.1~6 (1969)
- E. H. Lee, "Finite-Strain Elastic-Plastic Theory with Application to Plane-Wave Analysis", J. Appl. Phys, 38, pp.19~27 (1967)