KR20210013498A

KR20210013498A - 응력 감소를 위한 기판

Info

Publication number: KR20210013498A
Application number: KR1020190091184A
Authority: KR
Inventors: 김영국; 장서현
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2019-07-26
Filing date: 2019-07-26
Publication date: 2021-02-04
Also published as: KR102364739B1

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.

Description

응력 감소를 위한 기판{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.

기판은 일반적으로 고분자 수지에 직물유리섬유를 보강하여 제조하며 특히, 다층 기판의 회로형성을 위해 라미네이션(lamination), 가공 등의 공정을 진행한다.

기본적으로 유리섬유는 직물조직을 이루며 이 직물 유리섬유에 에폭시와 같은 고분자 소재를 함침시켜 복합재료 형태로 만들어진다.

일반적으로 직물조직은 종과 횡방향의 물성이 동일하고 이에 따라 실제적으로 평면 방향으로 등방성 재질의 거동을 하게 된다.

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.

최근 전기 자동차의 출현에 따라 자동차의 전장품이 충격이나 진동에 의해 기판이 진동함에 따라 실장된 부품이 파손을 일으키기 쉬운 환경에 노출되어 있다.

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.

이러한 임의 진동에서 칩을 실장한 기판이 진동하고 그에 따라 그 위에 실장된 전자부품, 특히 전자부품을 연결하는 솔더에 균열이 발생함에 따라 치명적인 파손을 입는다.

이와 같은 파손을 방지하기 위해서 진동이 발생하더라도 기판의 진동을 제어하여 발생하는 응력을 최소화 할수 있는 방법이 시급하다.

한국공개특허 10-2015-0000653 한국공개특허 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.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은;

PBGA(plastic ball grid array)칩이 실장되는 응력 감소를 위한 기판에 있어서, 상기 기판은 이방성 물성의 재질로 형성하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 기판은 이방성 물성을 형성하는 종축의 탄성계수는 38 ~ 42MPa이고, 평면방향 횡축의 탄성계수는 8 ~ 12MPa 로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기판은 이방성 물성을 형성하는 종축을 평면방향 횡축 방향으로 55 ~ 65° 각도로 회전하여 형성된 것을 특징으로 한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

이때, 도 13은 단방향 유리섬유를 각 층마다 다른 방향으로 적층하여 원하는 방향으로 원하는 물성을 얻을 수 있는 적층을 보여 준다.

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.

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.

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.

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.

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.

여기서, 유한요소 해석 방법을 적용하기 위하여 상용으로 사용되는 유한요소 프로그램인 ABAZUS v.6.2를 이용하여 계산을 실행하였다.

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.

여기서, 유리섬유의 부피비율을 60%로 하고, 모재(에폭시)의 부피비율은 40%로 하여 형성하게 된다.

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.

물성	이방	등방
Ex(Mpa)	10.400	24.000
Ey(Mpa)	41.000	24.000
Ez(Mpa)	10.400	11.000
Gxy(Mpa)	4.300	4.700
Gxz(Mpa)	3.500	2.600
Gyz(Mpa)	4.300	3.600
Vxy	0.28	0.11
Vxz	0.5	0.15
Vyz	0.28	0.2

(E:탄성계수, G:전단계수, V:포아송 비)

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.

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.

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.

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.

이렇게 각 예에 따른 계산을 완료한 후, 각각의 경우에서 최대 응력이 발생하는 솔더볼을 찾아 그 값을 비교하여 보았다.

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.

종횡비	등방성 PCB	이방성 PCB
종횡비	등방성 PCB	0°	30°	60°
1:1	56.2	42.1	50.9	50.9
1:1.2	56.4	45.6	53.4	47.9
1:1.5	52.9	51.2	53.1	41.9
1:1.8	51.8	53.4	52.0	39.4

(단위: 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.

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.

나아가, 이방성 물성을 형성하는 종축(Y축)을 평면방향 횡축(X축) 방향으로 회전시킬 경우, 60°에 근접할 수록 응력의 감소폭이 커지는 것을 확인할 수 있다.

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.

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.

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.

따라서, 상기 기판의 이방성 물성을 형성하는 종축의 탄성계수는 38 ~ 42MPa이고, 평면방향 횡축의 탄성계수는 8 ~ 12MPa 로 형성하는 것이 바람직하다.

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.

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.

Claims

PBGA(plastic ball grid array)칩이 실장되는 응력 감소를 위한 기판에 있어서,
상기 기판은 이방성 물성의 재질로 형성하는 것을 특징으로 하는 응력 감소를 위한 기판.
제1항에 있어서,
상기 기판은 이방성 물성을 형성하는 종축의 탄성계수는 38 ~ 42MPa이고, 평면방향 횡축의 탄성계수는 8 ~ 12MPa 로 형성되는 것을 특징으로 하는 응력 감소를 위한 기판.
제1항에 있어서,
상기 기판은 이방성 물성을 형성하는 종축을 평면방향 횡축 방향으로 55 ~ 65° 각도로 회전하여 형성된 것을 특징으로 하는 응력 감소를 위한 기판