KR101803547B1 - 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법 - Google Patents

유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법에 관한 것으로, (a) 적어도 배선이 형성되고 칩이 실장될 수 있는 플렉서블 기판의 캐드 설계도면을 준비하는 단계; (b) 상기 도면을 유한요소법 해석용 모델로 전처리하는 단계; (c) 상기 도면을 영역분할(area devision) 및 필터링하는 단계; (d) 상기 분할된 영역에 대하여 메쉬(mesh)를 형성하고 등가 물성을 구하는 단계; (e) 상기 플렉서블 기판을 구성하는 단위 모델인 칩 모델, 언더 필(under fill) 모델 및 필름 모델을 결합하여 글로벌(global) 해석 모델을 구성하는 단계; (f) 상기 글로벌 해석 모델에 신뢰성 조건을 부가하여 해석하는 단계; (g) 상기 신뢰성 조건에 대응하여 유의미한 해석 결과를 나타내는 부위에 대해 로컬(local) 모델을 형성하고 경계조건(boundary condition)을 추출하는 단계; 및 (h) 상기 경계조건이 적용된 결과를 결합하여 취약 부위를 선정하고 주어진 신뢰 기준을 만족하는지 여부를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 제공하여, 플렉서블 기판을 이용한 시제품 등을 제작하지 않고 미리 제작될 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성에 관한 이상 여부를 검증하고, 이상 발생시 이상 요소를 파악하여 개선시킨 후 개선 효과를 판별할 수 있는 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 제공할 수 있다.

Description

유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법{METHOD FOR VERIFICATION OF MECHANICAL RELIABILITY OF FLEXIBLE SUBSTRATE BY USING FINITE ELEMENT METHOD}
본 발명은 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플렉서블 기판의 시제품 제작 전에 미리 시제품의 신뢰성을 검증할 수 있도록 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법에 관한 것이다.
최근 전자제품의 소형화 및 박형화에 맞추어 기판의 소재를 도 1에 나타낸바와 같은 연성 소재의 플렉서블 기판으로 사용하는 경우가 많다. 이러한 플렉서블 기판이 사용되는 영역으로 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같은 LCD 패널을 구동하는 칩을 실장하는데 사용되는 기판(TAB), 칩 온 필름(chip on film; COF) 패키지용으로 사용되는 기판 등이 있다.
이와 같이, LCD 패널에 사용되는 플렉서블 기판에는 그 중심부에 LCD 픽셀을 제어하는 LCD 구동 칩(LCD driver IC chip; LDI)이 구비된다. LCD 구동 칩은 플렉서블 기판 상에 장착되어 LCD를 작동시키게 되고 LCD의 크기나 처리하고자 하는 색상의 수에 따라 그 만큼 분담하는 구동 칩의 수도 늘어나 일반적으로 1 개 내지 수십 개까지 부착된다. 또한, LCD TV의 경우 연속적인 작동을 위해서는 회로에서 만들어지는 신호가 LCD 패널에 끊김 없이 전달되어야 하는데, 회로 패턴에서 균열이 발생하는 등으로 인해 전기적으로 개방(open) 상태가 발생하면 LCD 패널이 비정상적으로 작동하게 되며, 플렉서블 기판의 경우 경성 기판보다 이러한 경향이 더 크다고 할 수 있다. 따라서, 인쇄회로기판과 LCD 패널을 연결하는 플렉서블 기판의 신뢰성은 매우 중요하다.
이러한 LCD TV 등의 제품 신뢰성을 보증하기 위해 진동 테스트, 온도 사이클 테스트 등 시제품 제작 후 다양한 신뢰성 테스트가 수행되고 있다. 진동 테스트의 경우 1~2G 정도의 하중에서 수십시간 동안 랜덤 진동을 수행하거나, 온도 사이클 테스트의 경우 -15~60℃ 사이의 온도 사이클을 수백회 가한 후 정상 유무를 파악하여 시제품의 기계적 신뢰성을 검증하게 된다.
그러나, LCD 패널, 인쇄회로기판, 플렉서블 기판 등을 각각 제작하고 이를조립하여 LCD TV 등의 시제품을 제조한 후 신뢰성 테스트를 수행하게 되는 경우, 테스트까지 수행되는 시간이 장기간 소요되며 막대한 비용이 필요한 문제가 있다. 또한, 시제품에 대한 신뢰성 테스트 결과 불량으로 판정될 경우라면 불량 발생 원인 파악, 설계 보완, 부품의 재제작, 조립 및 테스트 과정을 반복해야만 한다.
이에 따라 플렉서블 기판을 이용한 시제품 등을 제작하지 않고 미리 제작될 플렉서블 기판의 이상 여부를 확인할 수 있는 방법이 요청되나 아직까지 이러한 방법은 개시되지 않고 있으며, 더욱이 이상 발생시 그 원인을 파악하여 개선시킨 후 개선 효과를 판별할 수 있는 방법 역시 개시되지 않고 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 플렉서블 기판을 이용한 시제품 등을 제작하지 않고 미리 설계도면에 따라 제작될 플렉서블 기판의 이상 여부를 확인할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 제작될 플렉서블 기판의 이상 발생시 그 원인을 파악하여 개선시킨 후 개선 효과를 판별할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
(1) (a) 적어도 배선이 형성되고 칩이 실장될 수 있는 플렉서블 기판의 캐드 설계도면을 준비하는 단계; (b) 상기 도면을 유한요소법 해석용 모델로 전처리하는 단계; (c) 상기 도면을 영역분할(area devision) 및 필터링하는 단계; (d) 상기 분할된 영역에 대하여 메쉬(mesh)를 형성하고 등가 물성을 구하는 단계; (e) 상기 플렉서블 기판을 구성하는 단위 모델인 칩 모델, 언더 필(under fill) 모델 및 필름 모델을 결합하여 글로벌(global) 해석 모델을 구성하는 단계; (f) 상기 글로벌 해석 모델에 신뢰성 조건을 부가하여 해석하는 단계; (g) 상기 신뢰성 조건에 대응하여 유의미한 해석 결과를 나타내는 부위에 대해 로컬(local) 모델을 형성하고 경계조건(boundary condition)을 추출하는 단계; 및 (h) 상기 경계조건이 적용된 결과를 결합하여 취약 부위를 선정하고 주어진 신뢰 기준을 만족하는지 여부를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 제공한다.
(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 신뢰 기준을 만족하지 않는 경우 상기 설계도면을 수정하고 다시 상기 전처리 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 제공한다.
(3) 상기 (1)에 있어서, 상기 (b) 단계에서 상기 전처리는, 상기 플렉서블 기판의 파라미터 해석 및 캐드 기하해석을 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 제공한다.
(4) 상기 (3)에 있어서, 상기 파라미터 해석은, 상기 플렉서블 기판의 기하학적 정보 및 재료 정보를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 제공한다.
(5) 상기 (4)에 있어서, 상기 기하학적 정보는, 상기 플렉서블 기판의 외곽 치수 및 내부 치수인 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 제공한다.
(6) 상기 (3)에 있어서, 상기 캐드 기하해석은, 라인 세그먼트 추출 및 폴리 라인(poly-line) 전환을 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 제공한다.
(7) 상기 (6)에 있어서, 상기 라인 세그먼트는, 모두 폐곡선으로 형성하는 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 제공한다.
(8) 상기 (1)에 있어서, 상기 (d) 단계에서 상기 물성은, 모듈러스 또는 열팽창률인 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 제공한다.
(9) 상기 (1)에 있어서, 상기 (f) 단계에서 상기 신뢰성 조건은, 하중 조건, 온도 사이클 조건, 온도/습도 조건, 열 쇼크(thermal shock) 조건, HAST 조건, 고온 저장(high temperature storage) 조건, 사전 조건(preconditioning)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 유한요소법을 이용하여 플렉서블 기판을 이용한 시제품 등을 제작하지 않고 미리 제작될 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성에 관한 이상 여부를 검증하고, 이상 발생시 이상 요소를 파악하여 개선시킨 후 개선 효과를 판별할 수 있는 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 제공할 수 있다.
도 1은 플렉서블 기판이 적용되는 예를 나타낸 도면,
도 2는 LCD 패널을 구동하는 칩을 실장하는데 사용되는 기판을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 설명하는 순서도,
도 4는 칩 온 필름의 리드 구조를 설명하는 도면,
도 5는 본 발명의 일례에 따른 칩 온 필름의 설계도면을 분할하여 등가 모델링하는 개념을 설명하는 도면,
도 6 내지 도 12는 본 발명에 따른 전처리 과정 중 플렉서블 기판의 파라미터 해석의 일례를 나타낸 도면,
도 13 내지 도 15는 본 발명에 따른 전처리 과정 중 플렉서블 기판의 캐드기하해석의 일례를 나타낸 도면,
도 16은 본 발명에 따라 전처리된 플렉서블 기판의 도면에서 필름 영역의 패턴을 라인 공제(line subtraction) 방식으로 분할 처리 결과의 일례를 나타낸 도면,
도 17은 본 발명에 따라 인덱스를 세그먼트로 분할한 일례를 나타낸 도면,
도 18은 본 발명의 필터링 과정에서 발생할 수 있는 슬리버 형상의 예를 나타낸 도면,
도 19는 본 발명에 따른 파일링된 세그먼트 데이터베이스 관리의 일례를 나타낸 도면,
도 20은 본 발명에 따라 세그먼트 별로 등가물성 계산을 위한 3차원(3D) 세그먼트 모델링을 수행하는 일례를 나타낸 도면,
도 21은 본 발명에 따라 세그먼트의 등가물성을 계산한 예를 나타낸 도면,
도 22는 본 발명에 따른 글로벌 해석 모델 구성의 일례를 나타낸 도면,
도 23은 본 발명에 따른 신뢰성 조건 부가 해석의 일례를 나타낸 도면,
도 24는 본 발명에 따른 로컬 모델 형성의 일례를 나타낸 도면,
도 25는 도 24에 따른 리드 부위의 취약도 플롯을 나타낸 도면,
도 26은 도 25에 따른 리드의 수명 플롯을 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 도면부호를 부여하였으며, 방향은 도면을 기준으로 설명하였다. 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
컴퓨터를 이용한 시뮬레이션(simulation) 기법을 적용하면 복잡한 구조물 내부에서 발생하는 현상을 규명할 수 있다. 본 발명은 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성을 검증하기 위한 방법에 수치해석 방법 중 하나인 유한요소법(finite element method)을 적용한다.
유한요소법은 한정된 크기의 연속체를 유한개 요소의 집합체로 가정하고 각 요소에 한정된 수의 절점을 만들어 에너지 최소화 원리 또는 가상변위의 원리를 토대로 절점의 변위 값을 구하여 연속체의 변형을 근사적으로 나타내는 수치해석 방법이다. 또한, 유한요소법은 컴퓨터의 발달과 더불어 캐드(CAD)로 작성한 모델의 성능을 컴퓨터 내에서 상세히 검토하여 그 자료를 토대로 모델을 수정하는 시스템인 CAE(computer aided engineering) 시스템이 활용되며, 기구 등의 설계 분야에서는 응력해석, 고유진동수 해석, 탄성변형 등 기구의 동적해석에 널리 응용되고 있다.
도 3은 본 발명에 따른 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법을 설명하는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에서는 이와 같은 컴퓨터를 이용한 전산해석인 유한요소법에 근거하여, (a) 적어도 배선이 형성되고 칩이 실장될 수 있는 플렉서블 기판의 캐드 설계도면을 준비(S1)하는 단계; (b) 상기 도면을 유한요소법 해석용 모델로 전처리(S2)하는 단계; (c) 상기 도면을 영역분할(area devision) 및 필터링(S3)하는 단계; (d) 상기 분할된 영역에 대하여 메쉬(mesh)를 형성하고 등가 물성을 구하는 단계(S4); (e) 상기 플렉서블 기판을 구성하는 단위 모델인 칩 모델, 언더 필(under fill) 모델 및 필름 모델을 결합하여 글로벌(global) 해석 모델을 구성(S5)하는 단계; (f) 상기 글로벌 해석 모델에 신뢰성 조건을 부가하여 해석(S6)하는 단계; (g) 상기 신뢰성 조건에 대응하여 유의미한 해석 결과를 나타내는 부위에 대해 로컬(local) 모델을 형성하고 경계조건(boundary condition)을 추출(S7)하는 단계; 및 (h) 상기 경계조건이 적용된 결과를 결합하여 취약 부위를 선정(S8)하고 주어진 신뢰 기준을 만족하는지 여부를 결정(S9)하는 단계;를 포함하는 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성을 검증하는 방법을 제안한다.
일반적으로 유한요소법에 기초한 해석은, 구조물 전체의 영역을 절점에서 서로 연결된 유한수(finite)의 요소(elements)로 분할하고, 각 요소별 강성행렬(element stiffness matrix)과 요소의 절점에 가해지는 하중벡터(load vector)를 구하고, 구조물 전체 영역의 유한요소 방정식을 구성한 후, 경계조건(boundary condition)을 위 방정식에 반영하여 구조물 전체의 절점변위(nodal displacement)를 구하고, 각 요소별 절점변위로 변환하여 각 요소의 응력 등을 계산함으로써 전체 구조물의 유한요소 해석이 이루어진다.
여기서, 유한요소법의 초기 과정인 요소의 분할 과정에는 요소의 종류 및 수, 절점의 수, 경계조건, 재료의 특성치 등의 정보가 필요하고, 유한요소법에 의한 해가 공학적으로 필요한 정도의 정확도를 가지기 위해서 일반적으로 전체 구조체를 가능한 한 많은 수의 작은 요소로 분할하는 것이 필요하게 된다. 그러나, 과도하게 많은 요소로 분할될 경우 컴퓨터의 계산시간이 길어지게 되어 비경제적으로 되거나 사용하는 컴퓨터의 능력범위를 넘어 해석이 불가능하게 되기도 한다. 반대로, 계산시간을 감소시키기 위해 작은 수의 요소로 분할할 경우 해석결과의 정확도가 만족스럽지 않을 수 있다.
도 4는 칩 온 필름의 리드 구조를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 칩 온 필름에는 수천 개의 I/O가 작은 면적에 밀집되어 있음을 알 수 있다. 이러한 리드 전부를 고체 요소(solid element)로 메쉬를 만들 경우, 수천만 개 이상의 요소가 필요하게 되며, 이를 계산하는 데에는 현재의 하드웨어로는 한계가 있고, 응력 해석이 현실적으로 불가능하다.
따라서, 리드 패턴 영역을 분할하고 각 영역별 등가 물성을 계산하여 패턴 형상의 영향성을 고려하고자 한 것이다. 도 5는 이러한 본 발명의 일례로서 칩 온 필름의 설계도면을 분할하여 등가 모델링하는 개념을 설명하고 있다. 이는 본 발명의 상기 (c) 단계 및 (d) 단계에 대응된다고 할 수 있다. 여기서, 상기 물성은 모듈러스 또는 열팽창률일 수 있다.
본 발명은 상기 등가 모델링을 단위 모델 별로 수행(S4)한 이후에 다시 상기 단위 모델링 결과를 결합하여 글로벌(global) 해석을 수행한다. 즉, 본 발명의 상기 (e) 단계 및 (f) 단계와 같이, 상기 플렉서블 기판을 구성하는 단위 모델인 칩 모델, 언더 필 모델 및 필름 모델을 결합하여 글로벌 해석 모델을 구성(S5)하고, 상기 글로벌 해석 모델에 신뢰성 조건을 부가하여 해석(S6)한다. 여기서, 상기 신뢰성 조건은 시제품에 대해 검증하고자 하는 다양한 조건을 부가할 수 있다. 예를 들면, 온도 사이클 조건, 온도/습도 조건, 열 쇼크(thermal shock) 조건, HAST 조건, 고온 저장(high temperature storage) 조건, 사전 조건(preconditioning) 등이 있을 수 있다.
본 발명은 상기 글로벌 해석 이후 상기 신뢰성 조건에 대응하여 유의미한 해석 결과를 나타내는 부위에 대해 로컬(local) 해석을 수행한다. 즉, 본 발명의 상기 (g) 단계 및 (h) 단계와 같이, 어떠한 신뢰성 조건에 대응하여 반응을 나타내는 부위에 대한 로컬 모델을 형성하고 경계조건(boundary condition)을 추출 및 적용(S7)하여 그 결과를 결합한 후 취약 부위를 선정(S8)하게 된다. 이후, 주어진 신뢰 기준을 만족하는지 여부를 결정(S9)하게 된다.
한편, 상기 신뢰 기준을 만족하지 않는 경우에는 상기 최초 설계된 도면을 수정(S10)하고 다시 상기 과정들을 수행함으로써 수정된 도면에 따라서 신뢰성을 만족시키는지 여부를 판단하게 된다.
이상의 본 발명에 따른 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법은, 준비된 플렉서블 기판의 캐드 설계도면을 전처리(S2)한 후, 상기 도면의 영역분할 및 영역별 등가 물성을 구하는(S3) 마이크로 해석 과정, 단위 모델 별로 수행된 마이크로 단위 해석(S4) 결과를 결합하여 글로벌 해석 모델을 구성(S5)한 후 신뢰성 조건을 부가하여 해석(S6)하는 매크로 해석 과정 및 상기 매크로 해석 과정에서 유의미한 해석 결과를 나타내는 부위에 대해 로컬 해석(S7)하는 마이크로 해석 과정을 거치게 됨으로써, 전체적으로 마이크로, 매크로, 마이크로 순서의 해석 과정을 수행하여 플렉서블 기판에 특이적인 기계적 신뢰성을 검증할 수 있도록 한다.
이하, 구체적인 실시예를 들어 상세히 설명한다.
캐드 설계도면의 준비( S1 )
먼저, LCD TV의 LCD 패널 및 인쇄회로기판을 연결하는 플렉서블 기판(칩 온 필름)에 대하여 시제품 제작 전 유한요소법을 이용한 기계적 신뢰성 검증을 위해 상기 칩 온 필름을 구성하는 각 단위 구성을 캐드 프로그램을 이용하여 작도하여 3차원 솔리드 모델 정보의 설계도면을 준비한다.
도면 전처리( S2 )
상기 준비된 플렉서블 기판의 도면을 분석하여 외곽 치수, 내부 치수 등을 도출하고 진행할 유한요소 해석에 적합하도록 캐드 도면상의 라인 세그먼트(line segment)들을 모두 폐곡선으로 만드는 전처리 과정을 수행한다. 상기 전처리 과정은 크게 파라미터 해석 및 캐드 기하해석 과정으로 나누어 볼 수 있다.
상기 파라미터 해석은 상기 플렉서블 기판의 기하학적 정보 및 재료 정보에 따른 치수를 도출하는 과정으로, 이하에서 설명하는 바와 같이, 필름, 솔더레지스트, 언더 필 및 범프의 길이, 폭, 기판과의 거리 등의 치수를 도출할 수 있다.
도 6은 필름 크기 인자에 따른 치수를 나타낸 것으로, flm_u_d는 기판 중심에서 상측 컷 라인까지의 거리를, flm_d_d는 기판 중심에서 하측 컷 라인까지의 거리를, flm_r_d는 기판 중심에서 우측 컷 라인까지의 거리를, flm_l_d는 기판 중심에서 좌측 컷 라인까지의 거리를 각각 나타낸다.
도 7은 칩 크기 및 솔더레지스트 개방 영역의 치수를 나타낸 것으로, chip _l은 칩 길이를, chip_w는 칩의 폭을, sr_l은 솔더레지스트 길이를, sr_w는 솔더레지스트의 폭을 각각 나타낸다.
도 8은 언더 필 및 솔더레지스트의 상.하측 제한 치수를 나타낸 것으로, uf_l은 언더 필 길이를, uf_w는 언더 필의 폭을, sr_e2는 기판 중심에서 하측까지 솔더레지스트의 거리를, sr_e1은 기판 중심에서 상측까지 솔더레지스트의 거리를 각각 나타낸다.
도 9는 범프 위치에 관한 치수를 나타낸 것으로, bp_h_l은 범프의 수평길이를, bp_v_l은 범프의 수직길이를, bmp_h_d는 범프 리드의 수평거리를, bmp_v_d는 범프 리드의 수직거리를 각각 나타낸다.
도 10은 상기 플렉서블 기판의 영역 분할 인덱스를 나타낸 것으로, X1, X2 , X3 영역의 분할영역 수는 각각 3, 6, 3이고, Y1, Y2, Y3 영역의 분할영역 수는 각각 3, 1, 3을 나타내고 있다. 여기서, 빨간색 라인은 X, Y 영역 분할 라인을 의미하고, 파란색 라인은 X, Y 각각의 세부 분할 라인을 의미한다. 또한, 확대된 도면에서 보는 바와 같이, 칩의 내부 리드에 영역 분할 기준선이 통과하고 있음을 나타내고 있다.
도 11은 플렉서블 기판의 조건 결합을 나타낸 것으로, z_offs는 패널에서 인쇄회로기판 접합 경계까지의 거리를, y_offs는 필름 말단에서 인쇄회로기판까지의 거리를 각각 나타낸다.
도 12는 칩 부위의 재료 정보를 나타낸 것으로, sr_h는 내부 리드 영역의 솔더레지스트 높이(범프의 높이와 같다고 가정)를, cut_sr_h는 외부 리드 영역의 솔더레지스트 높이를, bmp_h는 범프 높이를, lead_h는 리드 높이를, pi_h는 필름(PI) 높이를 chip_h는 칩 높이를 각각 나타낸다.
이상의 파라미터 해석을 토대로 캐드 기하해석을 수행한다. 상기 캐드 기하해석은 상기 플렉서블 기판의 라인 세그먼트 추출 및 다중라인 전환을 통하여 수행될 수 있다.
먼저, 고객사 정보, 내부 리드 피치(inner lead pitch; ILP), 더미 디자인(dummy design) 등의 디자인 특징, 전기 배선 타입(electric wiring type), 리드 폭(lead width) 등의 배선 특징을 분석하는 캐드 설계도면 분석을 수행한다.(도 13 참조)
이후, 상기 라인 세그먼트 추출은 플렉서블 기판의 레이어(layer) 특성을 일치시키고 단일 레이어로 변환시키는 과정으로 이루어질 수 있다. 즉, 플렉서블 기판 패턴의 중심에 포인트를 생성하고, 패턴에 관련된 레이어를 제외하고 모두 동결시킨 후 패턴 전체를 선택하여 레이어 특성을 일치시킨다.(도 14 참조) 이후, 전체 도면에서 플렉서블 기판 형상 모델만 추출하여 레이어층을 단일 레이어로 변환하게 된다.(도 15 참조)
이상의 라인 세그먼트 추출 후, 변환 프로그램(Link-cad)을 이용하여 모든싱글 라인(single-line)을 폴리 라인(poly-line)으로 전환하여 상기 라인 세그먼트를 모두 폐곡선으로 만들어, 유한요소 해석을 위한 캐드 모델을 완성하게 된다.
이하, 상기 완성된 캐드 모델을 기초로 수행되는 유한요소 해석 과정을 상세히 설명한다.
영역분할 및 필터링( S3 )
먼저, 도 16에 도시된 바와 같이, 상기 전처리된 플렉서블 기판의 도면에서 필름 영역의 패턴을 라인 공제(line subtraction) 방식으로 분할 처리한 후 상기 도 10의 인덱스에 따라 분할된 영역별로 세그먼트 데이터베이스를 구축한다. 상기 세그먼트 데이터베이스는 예를 들면, X(kk)Y(ll)x(mm)y(jj)_a.DB와 같은 형식으로 파일링할 수 있다. 여기서, kk, ll, mm 및 jj는 위치 인자로 1~3일 수 있다(이하 같다.). 도 17은 X1Y1 인덱스를 9개의 세그먼트로 분할하고 있음을 나타내고 있다.
이후, 메쉬 에러를 발생시킬 수 있는 약 1~2㎛ 크기의 작은 세그먼트를 제거하는 패턴 슬리버 필터링(filtering Cu sliver)을 수행한다. 상기 필터링 수행 후 예를 들면, X(kk)Y(ll)x(mm)y(jj)_b.DB와 같은 형식으로 파일링할 수 있다. 여기서, 상기 패턴 슬리버(Cu sliver)는 라인 공제 과정에서 발생하는 것으로, 작은 길이의 라인 세그먼트를 갖는 폴리 라인(poly-line)으로, 잘못된 캐드 모델을 유발시킬 수 있다. 이러한 패턴 슬리버는 변환 프로그램(Link-cad)을 이용하여 제거하게 되는데, 도 18에 도시된 바와 같이, 슬리버 형상으로 니들형(needle type)형, 쐐기형(triangle type), 다각형(polygon) 등이 있다.
한편, 상기 파일링된 세그먼트 데이터베이스는 도 19에 도시된 바와 같이, 데이터 관리를 위해 디렉토리로 이동시킬 수 있다.
등가물성 계산( S4 )
먼저 도 20에 나타낸 바와 같이, 각 세그먼트 별로 등가물성 계산을 위한 3차원(3D) 세그먼트 모델링을 수행한다. 즉, 상기 필터링된 패턴 모델의 파일을 불러들여 "segment_model.txt" 명령 파일을 실행하여 3D 세그먼트 모델링을 수행한다. 이후, "*.jpg" 파일의 메쉬 오류를 체크 및 수정하여 상기 모델링된 3D 세그먼트 모델을 X(kk)Y(ll)x(mm)y(jj)_m.DB와 같은 형식으로 파일링할 수 있다.
다음으로, 상기 X(kk)Y(ll)x(mm)y(jj)_m.DB 형식의 파일을 불러들여 각 세그먼트의 물성을 계산하게 된다. 도 21은 메쉬에 유닛(unit) 변형을 가하고 반력(reaction force)의 합을 이용하여 세그먼트의 등가물성을 계산한 예를 나타내고 있다. 이때, 등가 모듈러스, 단위 온도 변화에 따른 등가 열팽창률 등을 계산할 수 있다.
글로벌 해석 모델( S5 )
이후, 상기 세그먼트들을 칩, 언더 필 및 필름의 단위 모델 별로 구분하여 이를 결합하여 글로벌 해석 모델을 구성한다. 도 22에는 각각 칩 모델(a), 언더 필 모델(b) 및 패키징된 글로벌 해석 모델(c)을 나타내고 있으며, 상기 구성된 각 단위 모델에 대하여 "chip.cdb", "underfill.cdb", "film.cdb" 등으로 파일링할 수 있다.
신뢰성 조건 부가 해석( S6 )
이후, 상기 글로벌 해석 모델을 통하여 파일링된 각 단위 모델을 결합하여 실제 패키지에 작용하는 하중 조건을 신뢰성 조건으로 부가한 해석을 수행한다. 도 23은 상기 글로벌 해석 모델의 초기상태(a), 전단 테스트 인스톨(installation to shear tester)(b) 및 x 축 방향에서의 전단(shearing along x direction)(c, d)을 나타내고 있다.
로컬 모델 해석( S7 )
이후, 도 24에 나타낸 바와 같이, 상기 하중 조건에 대응하여 유의미한 해석 결과를 나타내는 부위, 즉, 응력이 집중되는 부위를 로컬 모델(local model)로 형성(a)하고, 경계조건(boundary condition)을 적용(b)하여 리드의 응력 분배(lead stress distribution)(c) 결과를 도출하게 된다.
이후, 상기 로컬 해석 결과를 결합하여 취약 부위를 선정(S8)하고 주어진 신뢰 기준을 만족하는지 여부를 결정(S9)하게 된다. 도 25는 리드 부위의 취약도 플롯을 나타낸 도면이고, 도 26은 도 26에 따른 리드의 수명 플롯을 나타낸 도면이다.
도 25 및 도 26을 참조하면, 제3영역(zone 3) 및 제4영역(zone 4)의 연파란색 부분이 취약부분임을 나타내고, 도 22의 노란색 부분의 수명이 낮게 나타난 것을 나타내고 있다.
이와 같은 절차를 통하여 실제 시제품을 제작하지 않고도 플렉서블 기판의 설계 인자나 패턴 형상이 최종 신뢰성에 어떤 영향을 주게 되는지 파악할 수 있게 되며, 이를 통해 제품 개발 기간 및 평가 비용을 대폭 감소시킬 수 있게 된다.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항이나 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.

Claims (9)

  1. (a) 적어도 배선이 형성되고 칩이 실장될 수 있는 플렉서블 기판의 캐드 설계도면을 준비하는 단계;
    (b) 상기 도면을 유한요소법 해석용 모델로 전처리하는 단계;
    (c) 상기 도면을 영역분할(area devision) 및 필터링하는 단계;
    (d) 상기 분할된 영역에 대하여 메쉬(mesh)를 형성하고 등가 물성을 구하는 단계;
    (e) 상기 플렉서블 기판을 구성하는 단위 모델인 칩 모델, 언더 필(under fill) 모델 및 필름 모델을 결합하여 글로벌(global) 해석 모델을 구성하는 단계;
    (f) 상기 글로벌 해석 모델에 신뢰성 조건을 부가하여 해석하는 단계;
    (g) 상기 신뢰성 조건에 대응하여 유의미한 해석 결과를 나타내는 부위에 대해 로컬(local) 모델을 형성하고 경계조건(boundary condition)을 추출하는 단계; 및
    (h) 상기 경계조건이 적용된 결과를 결합하여 취약 부위를 선정하고 주어진 신뢰 기준을 만족하는지 여부를 결정하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 (b) 단계에서 상기 전처리는, 상기 플렉서블 기판의 파라미터 해석 및 캐드 기하해석을 통하여 수행되고,
    상기 캐드 기하해석은, 라인 세그먼트 추출 및 폴리 라인(poly-line) 전환을 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신뢰 기준을 만족하지 않는 경우 상기 설계도면을 수정하고 다시 상기 전처리 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파라미터 해석은, 상기 플렉서블 기판의 기하학적 정보 및 재료 정보를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기하학적 정보는, 상기 플렉서블 기판의 외곽 치수 및 내부 치수인 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 라인 세그먼트는, 모두 폐곡선으로 형성하는 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 물성은, 모듈러스 또는 열팽창률인 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (f) 단계에서 상기 신뢰성 조건은, 하중 조건, 온도 사이클 조건, 온도/습도 조건, 열 쇼크(thermal shock) 조건, HAST 조건, 고온 저장(high temperature storage) 조건, 사전 조건(preconditioning)으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상인 것을 특징으로 하는 유한요소법을 이용한 플렉서블 기판의 기계적 신뢰성 검증방법.
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