KR102364739B1 - PCB for stress reduction - Google Patents

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Abstract

본 발명은 응력 감소를 위한 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차와 같은 진동이 많이 발생하는 곳에 설치되는 칩이 실장된 기판에서 칩과 기판을 연결하는 부분에 발생하는 응력을 최소화하여 칩과의 연결부위에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 설계되어 있는 응력 감소를 위한 기판에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 PBGA(plastic ball grid array)칩이 실장되는 응력 감소를 위한 기판에 있어서, 상기 기판은 이방성 물성의 재질로 형성하고, 상기 기판은 이방성 물성을 형성하는 종축의 탄성계수는 38 ~ 42MPa이고, 평면방향 횡축의 탄성계수는 8 ~ 12MPa 로 형성되는 것을 특징으로 한다.
The present invention relates to a substrate for stress reduction, and more particularly, by minimizing the stress generated in a part connecting the chip and the substrate in a substrate on which a chip installed in a place where a lot of vibration occurs, such as in a car, is mounted, It relates to a substrate for stress reduction designed to prevent damage to the connection part.
In the present invention for achieving the above object, in a substrate for reducing stress on which a plastic ball grid array (PBGA) chip is mounted, the substrate is formed of a material having anisotropic properties, and the substrate has a vertical axis forming anisotropic properties. The modulus of elasticity is 38 ~ 42 MPa, and the elastic modulus of the horizontal axis in the plane direction is 8 ~ 12 MPa.

Description

응력 감소를 위한 기판{PCB for stress reduction}A substrate for stress reduction {PCB for stress reduction}

본 발명은 응력 감소를 위한 기판(PCB, Printed Circuit Board)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차와 같은 진동이 많이 발생하는 곳에 설치되는 칩이 실장된 기판에서 칩과 기판을 연결하는 부분에 발생하는 응력을 최소화하여 칩과의 연결부위에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 설계되어 있는 응력 감소를 위한 기판에 관한 것이다.The present invention relates to a substrate (PCB, Printed Circuit Board) for stress reduction, and more particularly, a chip installed in a place where a lot of vibration occurs, such as an automobile, is mounted on a board that connects the chip and the board. It relates to a substrate for reducing stress, which is designed to minimize stress to prevent damage to a connection part with a chip.

기판은 일반적으로 고분자 수지에 직물유리섬유를 보강하여 제조하며 특히, 다층 기판의 회로형성을 위해 라미네이션(lamination), 가공 등의 공정을 진행한다. The substrate is generally manufactured by reinforcing fiberglass fibers in a polymer resin, and in particular, processes such as lamination and processing are performed to form a circuit of a multilayer substrate.

기본적으로 유리섬유는 직물조직을 이루며 이 직물 유리섬유에 에폭시와 같은 고분자 소재를 함침시켜 복합재료 형태로 만들어진다. Basically, glass fiber forms a fabric structure, and it is made in the form of a composite material by impregnating the fiber glass fiber with a polymer material such as epoxy.

일반적으로 직물조직은 종과 횡방향의 물성이 동일하고 이에 따라 실제적으로 평면 방향으로 등방성 재질의 거동을 하게 된다. In general, the fabric structure has the same physical properties in the longitudinal and transverse directions, and thus, actually behaves as an isotropic material in the planar direction.

기판은 전기부품이 실장되고 서로를 연결해 주는 전기적 회로를 내장하여 전기부품이 제대로 작동하도록 하며 또한 모듈의 기초 구조를 이루어 하나의 전장품으로 구성하게 하는 가장 중요한 기본적인 부품이다. The board is the most important basic component that allows the electrical components to be mounted and the electrical circuits that connect them are built-in so that the electrical components work properly and also forms the basic structure of the module to form a single electrical component.

최근 전기 자동차의 출현에 따라 자동차의 전장품이 충격이나 진동에 의해 기판이 진동함에 따라 실장된 부품이 파손을 일으키기 쉬운 환경에 노출되어 있다. In accordance with the recent advent of electric vehicles, as the substrate vibrates due to shock or vibration of electric components of the vehicle, the mounted parts are exposed to an environment where damage is easy to occur.

따라서 응력 하중에 의한 파손을 평가하는 기계적 신뢰성의 중요성이 크게 부상하고 있다. 또한, 자동차 등에 장착되는 전장품인 경우 진동이 하나의 주파수로 발생하는 것이 아니라 여러 주파수 범위 내에서 임의 진동형태로 발생한다.Therefore, the importance of mechanical reliability for evaluating failure due to stress load is rising. In addition, in the case of an electric device mounted on a vehicle, the vibration does not occur at one frequency, but as a random vibration within several frequency ranges.

이러한 임의 진동에서 칩을 실장한 기판이 진동하고 그에 따라 그 위에 실장된 전자부품, 특히 전자부품을 연결하는 솔더에 균열이 발생함에 따라 치명적인 파손을 입는다. In this random vibration, the board on which the chip is mounted vibrates, and as a result, the electronic components mounted thereon, especially the solder connecting the electronic components, are fatally damaged as cracks occur.

이와 같은 파손을 방지하기 위해서 진동이 발생하더라도 기판의 진동을 제어하여 발생하는 응력을 최소화 할수 있는 방법이 시급하다.In order to prevent such damage, it is urgent to find a method to minimize the stress generated by controlling the vibration of the substrate even when vibration occurs.

한국공개특허 10-2015-0000653Korean Patent Publication No. 10-2015-0000653 한국공개특허 10-2019-0061662Korean Patent Laid-Open Patent 10-2019-0061662

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 PBGA 칩이 실장되는 기판의 재질을 이방성 물성의 재질로 형성하여 기판의 진동거동을 제어함으로써, PBGA 칩과 기판을 연결하는 솔더볼 부분에 발생하는 응력을 감소시켜 연결부위가 손상되거나 떨어지는 것을 방지할 수 있는 응력 감소를 위한 기판을 제공하는 것이다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to control the vibration behavior of the substrate by forming the material of the substrate on which the PBGA chip is mounted with a material having anisotropic properties, thereby connecting the PBGA chip and the substrate. An object of the present invention is to provide a substrate for reducing stress that can reduce the stress generated in the solder ball portion and prevent the connection portion from being damaged or dropped.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은;The present invention for solving these problems;

PBGA(plastic ball grid array)칩이 실장되는 응력 감소를 위한 기판에 있어서, 상기 기판은 이방성 물성의 재질로 형성하는 것을 특징으로 한다.A substrate for reducing stress on which a plastic ball grid array (PBGA) chip is mounted, wherein the substrate is formed of a material having anisotropic properties.

여기서, 상기 기판은 이방성 물성을 형성하는 종축의 탄성계수는 38 ~ 42MPa이고, 평면방향 횡축의 탄성계수는 8 ~ 12MPa 로 형성되는 것을 특징으로 한다.Here, the substrate has an elastic modulus of 38 to 42 MPa in a vertical axis forming anisotropic properties, and an elastic modulus in a horizontal axis in the plane direction is 8 to 12 MPa.

또한, 상기 기판은 이방성 물성을 형성하는 종축을 평면방향 횡축 방향으로 55 ~ 65° 각도로 회전하여 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the substrate is characterized in that it is formed by rotating a vertical axis forming anisotropic properties at an angle of 55 to 65° in a plane direction and a horizontal axis direction.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, PBGA 칩이 실장되는 기판의 재질을 이방성 물성의 재질로 형성하여 기판의 진동거동을 제어함으로써, PBGA 칩과 기판을 연결하는 솔더볼 부분에 발생하는 응력을 감소시켜 연결부위가 손상되거나 떨어지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention having the above configuration, the substrate on which the PBGA chip is mounted is formed of an anisotropic material to control the vibration behavior of the substrate, thereby reducing the stress generated in the solder ball portion connecting the PBGA chip and the substrate. It has the effect of preventing the part from being damaged or falling.

도 1은 PBGA 칩이 실장된 통상의 기판의 사시도이다.
도 2는 PBGA 칩을 기판에 설치하기 위한 솔더볼의 사시도이다.
도 3은 PBGA 칩을 실장하기 위하여 하면에 구비되는 솔더의 배열을 보여주는 개념도이다.
도 4는 PBGA 칩이 실장된 기판에 가해지는 임의 진동의 크기를 나타내는 Power Spectrum Density(PSD)를 보여주는 그래프이다.
도 5는 PBGA 칩이 실장된 기판 중 일 실시 예에 대하여 임의 진동 상태에서 솔더볼에 가해지는 응력을 계산하여 최대 응력이 가해지는 솔더볼을 보여주는 상태도이다.
도 6은 가로세로비가 1:1일 때 등방성 및 이방성 물성의 기판에 실장된 칩의 솔더볼에서 발생한 응력의 값을 보여주는 그래프이다.
도 7은 가로세로비가 1:1.2일 때 등방성 및 이방성 물성의 기판에 실장된 칩의 솔더볼에서 발생한 응력의 값을 보여주는 그래프이다.
도 8은 가로세로비가 1:1.5일 때 등방성 및 이방성 물성의 기판에 실장된 칩의 솔더볼에서 발생한 응력의 값을 보여주는 그래프이다.
도 9는 가로세로비가 1:1.8일 때 등방성 및 이방성 물성의 기판에 실장된 칩의 솔더볼에서 발생한 응력의 값을 보여주는 그래프이다.
도 10은 일반적인 PCB가 가지고 있는 직물유리섬유 고분자 복합재료의 사시도이다.
도 11은 직물 유리섬유를 보다 간략하게 보여주는 사시도이다.
도 12는 단방향 유리섬유를 보여 주는 사시도이다.
도 13은 단방향 유리섬유충울 적층하여 물성을 각 방향으로 조절하는 방법을 보여주는 사시도이다.
1 is a perspective view of a conventional substrate on which a PBGA chip is mounted.
2 is a perspective view of a solder ball for installing a PBGA chip on a substrate.
3 is a conceptual diagram illustrating an arrangement of solders provided on a lower surface for mounting a PBGA chip.
4 is a graph showing Power Spectrum Density (PSD) indicating the magnitude of random vibration applied to a substrate on which a PBGA chip is mounted.
5 is a state diagram illustrating a solder ball to which the maximum stress is applied by calculating the stress applied to the solder ball in an arbitrary vibration state with respect to one embodiment of a substrate on which a PBGA chip is mounted.
6 is a graph showing values of stress generated in a solder ball of a chip mounted on a substrate having isotropic and anisotropic properties when the aspect ratio is 1:1.
7 is a graph showing values of stress generated in a solder ball of a chip mounted on a substrate having isotropic and anisotropic properties when the aspect ratio is 1:1.2.
8 is a graph showing values of stress generated in a solder ball of a chip mounted on a substrate having isotropic and anisotropic properties when the aspect ratio is 1:1.5.
9 is a graph showing values of stress generated in a solder ball of a chip mounted on a substrate having isotropic and anisotropic properties when the aspect ratio is 1:1.8.
10 is a perspective view of a fiberglass fiber polymer composite material of a general PCB.
11 is a more simplified perspective view of a textile glass fiber.
12 is a perspective view showing a unidirectional glass fiber.
13 is a perspective view showing a method of controlling physical properties in each direction by laminating a unidirectional glass fiber filler.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 그리고, 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시 예에 한정되지 않음을 이해하여야 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same components in the drawings, and repeated descriptions of the same components are omitted. And, it should be understood that the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the described embodiments.

도 1은 PBGA 칩이 실장된 통상의 기판의 사시도이고, 도 2는 PBGA 칩을 기판에 설치하기 위한 솔더볼의 사시도이고, 도 3은 PBGA 칩을 실장하기 위하여 하면에 구비되는 솔더의 배열을 보여주는 개념도이고, 도 4는 PBGA 칩이 실장된 기판에 가해지는 임의 진동의 크기를 나타내는 Power Spectrum Density(PSD)를 보여주는 그래프이고, 도 5는 PBGA 칩이 실장된 기판 중 일 실시 예에 대하여 임의 진동 상태에서 솔더볼에 가해지는 응력을 계산하여 최대 응력이 가해지는 솔더볼을 보여주는 상태도이고, 도 6은 가로세로비가 1:1일 때 등방성 및 이방성 물성의 기판에 실장된 칩의 솔더볼에서 발생한 응력의 값을 보여주는 그래프이고, 도 7은 가로세로비가 1:1.2일 때 등방성 및 이방성 물성의 기판에 실장된 칩의 솔더볼에서 발생한 응력의 값을 보여주는 그래프이고, 도 8은 가로세로비가 1:1.5일 때 등방성 및 이방성 물성의 기판에 실장된 칩의 솔더볼에서 발생한 응력의 값을 보여주는 그래프이고, 도 9는 가로세로비가 1:1.8일 때 등방성 및 이방성 물성의 기판에 실장된 칩의 솔더볼에서 발생한 응력의 값을 보여주는 그래프이고, 도 10은 일반적인 PCB가 가지고 있는 직물유리섬유 고분자 복합재료의 사시도이고, 도 11은 직물 유리섬유를 보다 간략하게 보여주는 사시도이고, 도 12는 단방향 유리섬유를 보여 주는 사시도이고, 도 13은 단방향 유리섬유충울 적층하여 물성을 각 방향으로 조절하는 방법을 보여주는 사시도이다. 1 is a perspective view of a conventional substrate on which a PBGA chip is mounted, FIG. 2 is a perspective view of a solder ball for installing the PBGA chip on the substrate, and FIG. 3 is a conceptual diagram showing an arrangement of solder provided on the lower surface for mounting the PBGA chip , and FIG. 4 is a graph showing Power Spectrum Density (PSD) indicating the magnitude of random vibration applied to a substrate on which a PBGA chip is mounted, and FIG. It is a state diagram showing the solder ball to which the maximum stress is applied by calculating the stress applied to the solder ball. 7 is a graph showing values of stress generated in solder balls of a chip mounted on a substrate having isotropic and anisotropic properties when the aspect ratio is 1:1.2, and FIG. 8 is isotropic and anisotropic properties when the aspect ratio is 1:1.5 is a graph showing the value of the stress generated in the solder ball of the chip mounted on the substrate of , FIG. 10 is a perspective view of a fiberglass fiber polymer composite material of a typical PCB, FIG. 11 is a perspective view showing a fiberglass fiber more briefly, FIG. 12 is a perspective view showing a unidirectional glass fiber, and FIG. 13 is a unidirectional glass It is a perspective view showing a method of controlling the physical properties in each direction by laminating the fibers.

본 발명은 응력 감소를 위한 PCB(printed circuit board) 기판에 관한 것으로 우선, 도 10에 도시된 바와 같이 일반적으로 기판은 직물 유리섬유 구조를 고분자 레진으로 함침한 고분자 복합재료로 대표되는데, 직물유리섬유는 평면 방향으로 물성이 거의 비슷하기 때문에 등방성 재료로 취급되며, 도 11은 직물 유리섬유를 좀 더 도식화하여 보여준다.The present invention relates to a printed circuit board (PCB) substrate for reducing stress. First, as shown in FIG. 10, the substrate is generally represented by a polymer composite material impregnated with a polymer resin with a fabric glass fiber structure. is treated as an isotropic material because the physical properties are almost similar in the planar direction, and Fig. 11 schematically shows the woven glass fiber.

여기서, 도 12는 직물과 달리 한 방향으로 유리섬유가 배열된 것으로 유리섬유 방향으로는 강한 물성을 유지하고 유리섬유와 수직인 방향은 약한 물성을 보이는 대표적인 이방성 재료로서, 이 단방향 유리섬유를 원하는 방향으로 배열하고 고분자 수지를 함침하면 유리섬유 방향으로 물성이 강한 고분자 복합재료를 제작할 수 있다. Here, FIG. 12 is a representative anisotropic material in which glass fibers are arranged in one direction, unlike the fabric, maintaining strong physical properties in the glass fiber direction and showing weak physical properties in the direction perpendicular to the glass fiber. By arranging them in a vertical position and impregnating them with a polymer resin, a polymer composite material with strong physical properties in the direction of glass fibers can be produced.

이때, 도 13은 단방향 유리섬유를 각 층마다 다른 방향으로 적층하여 원하는 방향으로 원하는 물성을 얻을 수 있는 적층을 보여 준다. At this time, FIG. 13 shows a laminate in which unidirectional glass fibers are laminated in different directions for each layer to obtain desired properties in a desired direction.

그리고, 도 1에 도시된 바와 같이 기판에는 PBGA(plastic ball grid array) 칩이 실장되는데, 칩과 기판을 연결하기 위한 부분을 결합하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같은 솔더볼이 사용되고 이러한 솔더볼은 도 3에 도시된 바와 같이 칩과 기판을 연결하기 위한 부분에 구비되어 칩과 기판을 전기적으로 견고하게 결합하게 된다.And, as shown in FIG. 1, a PBGA (plastic ball grid array) chip is mounted on the substrate, and a solder ball as shown in FIG. 2 is used to connect the part for connecting the chip and the substrate, and the solder ball is shown in FIG. 3 As shown in the figure, it is provided in a portion for connecting the chip and the substrate to electrically firmly connect the chip and the substrate.

그런데, 솔더볼을 사용하여 PBGA 칩과 기판을 연결하여 높은 결합력으로 결합되기는 하지만, 작동시 발생하는 열에 의한 팽창과 수축뿐만 아니라 기판이 설치되는 환경에서 발생하는 진동이 솔더볼에 응력을 가중시켜 솔더볼에 균열을 발생시켜 결국 연결부분이 절단되는 치명적인 문제점이 발생하게 된다.However, although solder balls are used to connect the PBGA chip and the board with high bonding force, the expansion and contraction caused by heat generated during operation as well as vibrations generated in the environment where the board is installed add stress to the solder balls and cause cracks in the solder balls. This causes a fatal problem in that the connection part is eventually cut.

이러한 사용 환경에서 발생하는 진동은 기판을 통하여 솔더볼로 전달되게 되는데, 기판에서 진동에 의해 발생하는 기판의 변형을 제어하게 되면 솔더볼에 가해지는 응력을 감소시켜 솔더볼에 균열이 발생되는 것을 방지할 수 있게 된다.Vibration generated in such a usage environment is transmitted to the solder ball through the board. Controlling the deformation of the board caused by the vibration on the board reduces the stress applied to the solder ball and prevents cracks in the solder ball. do.

따라서, 본 발명에서는 기판을 단방향 유리섬유를 이용하여 이방성 물성을 갖도록 하고 이에 따라 진동 특성을 제어함으로써, 환경에서 발생하는 진동을 저감시켜주어 PBGA 칩과 기판을 연결하는 솔더볼 부분에 가해지는 응력을 줄여주게 된다.Therefore, in the present invention, the substrate has anisotropic properties using unidirectional glass fiber and by controlling the vibration characteristics accordingly, the vibration generated in the environment is reduced, thereby reducing the stress applied to the solder ball part connecting the PBGA chip and the substrate. will give

그리고, 이방성 물성을 갖는 기판과 등방성 물성을 띄는 일반적인 기판을 형성할 경우, 기판에 진동이 가해질 때, 칩과 기판의 연결부에 가해지는 응력의 정도를 유한요소 해석 방법을 통하여 확인하여 보았다.And, in the case of forming a substrate having anisotropic properties and a general substrate having isotropic properties, when vibration is applied to the substrate, the degree of stress applied to the connection part of the chip and the substrate was checked through the finite element analysis method.

여기서, 유한요소 해석 방법을 적용하기 위하여 상용으로 사용되는 유한요소 프로그램인 ABAZUS v.6.2를 이용하여 계산을 실행하였다.Here, in order to apply the finite element analysis method, calculations were performed using ABAZUS v.6.2, a commercially used finite element program.

우선, 기판, PBGA 칩 및 솔더볼은 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 모델링 하였는데, 가로세로 크기가 17mm × 17mm, 그리고 지름이 0.4mm로 형성된 솔더볼을 사용하여 PBGA 칩을 기판에 실장하였다.First, the substrate, the PBGA chip, and the solder ball were modeled as shown in FIGS. 1 to 3, and the PBGA chip was mounted on the substrate using solder balls having a horizontal and vertical size of 17 mm × 17 mm and a diameter of 0.4 mm.

여기서, 유리섬유의 부피비율을 60%로 하고, 모재(에폭시)의 부피비율은 40%로 하여 형성하게 된다.Here, the volume ratio of the glass fiber is 60%, and the volume ratio of the base material (epoxy) is 40%.

또한, 상기 기판을 형성하는 재질의 물성을 살펴보면 이방성 물성을 형성하는 종축인 Y축은 단방향성 유리섬유의 방향으로 하고 평면방향 횡축은 X축으로 하여 하기의 표 1에 기재된 바와 같이 이방성 및 등방성 물성을 형성한다.In addition, looking at the physical properties of the material forming the substrate, the Y axis, which is the vertical axis for forming the anisotropic properties, is the direction of the unidirectional glass fiber, and the horizontal axis in the plane direction is the X axis. As described in Table 1 below, the anisotropic and isotropic properties are to form

물성Properties 이방heathen 등방isotropic Ex(Mpa)Ex(Mpa) 10.40010.400 24.00024.000 Ey(Mpa)Ey(Mpa) 41.00041.000 24.00024.000 Ez(Mpa)Ez(Mpa) 10.40010.400 11.00011.000 Gxy(Mpa)Gxy(Mpa) 4.3004.300 4.7004.700 Gxz(Mpa)Gxz(Mpa) 3.5003.500 2.6002.600 Gyz(Mpa)Gyz(Mpa) 4.3004.300 3.6003.600 VxyVxy 0.280.28 0.110.11 VxzVxz 0.50.5 0.150.15 VyzVyz 0.280.28 0.20.2

(E:탄성계수, G:전단계수, V:포아송 비)(E: modulus of elasticity, G: shear modulus, V: Poisson's ratio)

여기서, 사용 환경에서 발생하는 임의 진동의 크기를 나타내는 power spectrum density(PSD)는 도 4에 도시된 바와 같이 주파수 100Hz에서 1000Hz까지 최대 0.5g2/Hz의 진동조건을 적용하였으며, PCB의 네 변이 고정된 경계조건을 부여하였다.Here, the power spectrum density (PSD) indicating the magnitude of random vibrations occurring in the environment of use was applied to a vibration condition of up to 0.5g 2 /Hz from a frequency of 100Hz to 1000Hz, as shown in FIG. 4 , and the four sides of the PCB were fixed. boundary conditions were given.

그리고, 상기의 PSD(power spectrum density)를 이용하여 기판의 형태와 이방성 물성이 솔더의 응력 발생에 미치는 영향을 알아보기 위하여 기판의 면적을 80.300cm2로 일정하게 유지하고, 가로세로비를 1:1, 1:1.2, 1:1.5, 1:1.8로 변형하였다.And, in order to examine the effect of the shape and anisotropic properties of the substrate on the stress generation of the solder using the PSD (power spectrum density), the area of the substrate is kept constant at 80.300 cm 2 , and the aspect ratio is 1: 1, 1:1.2, 1:1.5, 1:1.8 were transformed.

여기서, 추가적으로 기판에 이방성 물성을 도입하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 이방성 물성의 종축 방향인 Y축을 평면방향 횡축 방향인 X축 방향(시계방향)으로 회전하여 솔더볼에 가해지는 응력을 계산하였다.Here, in order to additionally introduce anisotropic properties to the substrate, as shown in FIG. 1 , the Y-axis, which is the longitudinal direction of the anisotropic properties, was rotated in the X-axis direction (clockwise), which is the horizontal direction of the plane, and the stress applied to the solder ball was calculated. .

이때, 유한요소 해석 방법을 통하여 전술한 임의 진동 주파수 100 ~ 1000Hz에서의 계산을 수행하게 되는데, 전술한 다수의 예 중에서 일예로서 도 5를 참조하면, PBGA 칩을 연결하는 솔더볼 어레이에서 가장자리 코너에 위치하는 솔더볼에서 최대 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있다.At this time, the above-described random vibration frequency of 100 to 1000 Hz is calculated through the finite element analysis method. Referring to FIG. 5 as an example among the plurality of examples described above, it is located at the edge corner of the solder ball array connecting the PBGA chip. It can be seen that the maximum stress occurs in the solder ball.

이렇게 각 예에 따른 계산을 완료한 후, 각각의 경우에서 최대 응력이 발생하는 솔더볼을 찾아 그 값을 비교하여 보았다.After completing the calculations according to each example in this way, the solder ball generating the maximum stress in each case was found and the values were compared.

그 결과를 살펴보면, 도 6 내지 도 9에 도시된 그래프에서 보이는 바와 같이, 임의 진동 주파수 100 ~ 1000Hz에서 등방성 기판에 실장된 칩의 솔더 응력을 계산하고, 이방성 기판은 종축인 Y축을 평면방향 횡축인 X축 방향으로 0°, 30°, 60° 각도로 회전하는 상태로서, 즉, 단방향 유리섬유의 물성을 상기의 각도들로 변환한 상태로 계산하여 최대 응력이 발생한 솔더볼의 응력 상태를 그래프로 보여주는데, 이 결과를 표로 정리하면 하기의 표 2에 도시된 바와 같다.Looking at the results, as shown in the graphs shown in FIGS. 6 to 9, the solder stress of the chip mounted on the isotropic substrate is calculated at an arbitrary vibration frequency of 100 to 1000 Hz, and the anisotropic substrate uses the Y axis as the vertical axis as the horizontal axis in the plane direction. The state of rotation at 0°, 30°, and 60° in the X-axis direction, that is, the state of converting the physical properties of unidirectional glass fiber into the above angles, shows the stress state of the solder ball where the maximum stress occurs in a graph. , and the results are summarized in a table as shown in Table 2 below.

종횡비aspect ratio 등방성 PCBIsotropic PCB 이방성 PCBAnisotropic PCB 30°30° 60°60° 1:11:1 56.256.2 42.142.1 50.950.9 50.950.9 1:1.21:1.2 56.456.4 45.645.6 53.453.4 47.947.9 1:1.51:1.5 52.952.9 51.251.2 53.153.1 41.941.9 1:1.81:1.8 51.851.8 53.453.4 52.052.0 39.439.4

(단위: MPa)(Unit: MPa)

전술한 유한요소 해석 방법을 통하여 계산한 바와 같이 등방성 기판의 솔더볼에서 발생한 최대 응력보다 이방성 기판의 솔더볼에서 발생한 최대 응력의 수치가 대부분 낮게 계산 되었으며, 종축을 60° 회전시킨 경우에는 종횡비가 클수록 최대 24%까지 최대 응력이 감소하였음을 확인할 수 있다.As calculated through the above-described finite element analysis method, the maximum stress generated in the solder ball of the anisotropic board was calculated to be lower than the maximum stress generated in the solder ball of the isotropic board. It can be seen that the maximum stress was reduced by up to %.

따라서, 진동이 발생하는 환경에 PBGA 칩이 실장된 기판을 설치할 때, 기판의 재질을 이방성 물성의 재질로 형성하게 되면 칩을 실장하기 위한 솔더볼에 가해지는 응력을 줄여줄 수 있음을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that when the substrate on which the PBGA chip is mounted is installed in an environment where vibration occurs, the stress applied to the solder ball for mounting the chip can be reduced if the material of the substrate is formed of a material having anisotropic properties.

나아가, 이방성 물성을 형성하는 종축(Y축)을 평면방향 횡축(X축) 방향으로 회전시킬 경우, 60°에 근접할 수록 응력의 감소폭이 커지는 것을 확인할 수 있다.Furthermore, when the vertical axis (Y axis) forming the anisotropic properties is rotated in the plane direction horizontal axis (X axis) direction, it can be seen that the closer to 60°, the greater the reduction in stress.

또한, 그래프에 도시되지는 않았지만, 기판의 이방성 물성을 형성하는 종축을 평면방향 횡축 방향으로 회전시킬 때, 그 각도가 55°보다 작거나 65°보다 클경우에는 0°일때와 유사한 결과값이 도출된다.In addition, although not shown in the graph, when the vertical axis forming the anisotropic property of the substrate is rotated in the plane direction and the horizontal axis direction, when the angle is smaller than 55° or larger than 65°, a result similar to 0° is derived do.

따라서, 기판의 가로세로비를 1:1로 형성한 경우 이외의 경우에서는 이방성 물성을 형성하는 종축을 평면방향 횡축 방향으로 55° ~ 65°각도로 회전한 상태일 때, 솔더볼에 가해지는 응력이 최대로 감소하게 된다.Therefore, in cases other than when the aspect ratio of the substrate is 1:1, when the vertical axis forming the anisotropic properties is rotated at an angle of 55° to 65° in the plane direction and the horizontal axis direction, the stress applied to the solder ball is will decrease to the maximum.

그리고, 도면에 별도로 도시되지는 않았지만, 기판의 이방성 물성의 가장 큰 특징인 종축의 탄성계수와 평면방향 횡축의 탄성계수를 각각 변화시키면서 계산하였는데, 종축의 탄성계수를 38MPa 보다 작게 하고, 평면방향 횡축의 탄성계수를 12MPa 보다 크게 할 경우에는 등방성 기판의 물성과 유사한 특성을 띄게 되어 응력의 감소효과가 확연히 저하되며, 종축의 탄성계수를 42MPa 보다 크게 하고, 평면방향 횡축의 탄성계수를 8MPa보다 작게 할경우에는 이방성 특성의 차이가 너무 커지게 되어 오히려 응력의 감소효과가 크게 저하된다.In addition, although not shown separately in the drawing, the calculation was performed while changing the elastic modulus of the vertical axis and the elastic modulus of the horizontal axis in the plane direction, which are the biggest characteristics of the anisotropic properties of the substrate, respectively. When the modulus of elasticity of is larger than 12 MPa, the properties similar to the properties of the isotropic substrate are exhibited, and the effect of reducing stress is significantly reduced. In this case, the difference in anisotropy characteristics becomes too large, and the effect of reducing stress is greatly reduced.

따라서, 상기 기판의 이방성 물성을 형성하는 종축의 탄성계수는 38 ~ 42MPa이고, 평면방향 횡축의 탄성계수는 8 ~ 12MPa 로 형성하는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable that the elastic modulus of the vertical axis forming the anisotropic properties of the substrate is 38 to 42 MPa, and the elastic modulus of the horizontal axis in the plane direction is 8 to 12 MPa.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리 범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the scope of the present invention is not limited thereto, and the scope of the present invention extends to those substantially equivalent to the embodiments of the present invention. Various modifications are possible by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains without departing from the scope of the invention.

본 발명은 응력 감소를 위한 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차와 같은 진동이 많이 발생하는 곳에 설치되는 칩이 실장된 기판에서 칩과 기판을 연결하는 부분에 발생하는 응력을 최소화하여 칩과의 연결부위에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 설계되어 있는 응력 감소를 위한 기판에 관한 것이다.The present invention relates to a substrate for stress reduction, and more particularly, by minimizing the stress generated in a part connecting the chip and the substrate in a substrate on which a chip installed in a place where a lot of vibration occurs, such as in a car, is mounted, It relates to a substrate for stress reduction designed to prevent damage to the connection part.

Claims (3)

PBGA(plastic ball grid array)칩이 실장되는 응력 감소를 위한 기판에 있어서,
상기 기판은 이방성 물성의 재질로 형성하되, 상기 기판의 종축과 횡축의 탄성계수를 다르게 형성하며,
상기 기판은 종축을 평면방향인 횡축 방향으로 55 ~ 65° 각도로 회전하여 형성된 것을 특징으로 하는 응력 감소를 위한 기판.
In the substrate for stress reduction on which a PBGA (plastic ball grid array) chip is mounted,
The substrate is formed of a material having anisotropic properties, and the elastic modulus of the vertical axis and the horizontal axis of the substrate is formed differently,
The substrate is a substrate for stress reduction, characterized in that it is formed by rotating the longitudinal axis at an angle of 55 to 65° in the horizontal direction, which is the plane direction.
제1항에 있어서,
상기 기판은 이방성 물성을 형성하는 종축의 탄성계수는 38 ~ 42MPa이고, 횡축의 탄성계수는 8 ~ 12MPa 로 형성되는 것을 특징으로 하는 응력 감소를 위한 기판.
The method of claim 1,
The substrate is a substrate for stress reduction, characterized in that the elastic modulus of the vertical axis forming anisotropic properties is 38 ~ 42 MPa, and the elastic modulus of the horizontal axis is 8 ~ 12 MPa.
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