본 연구에서는 광 측정 기법을 적용하여 플립 칩 전자 패키지의 기계적 신뢰성을 평가하는 기법을 제안하고 개발하였다. 효과적인 광 측정을 위해 기존의 기법을 향상시키고 새로운 광 측정 시스템을 개발하였다. 개발된 측정 시스템을 이용하여 플립 칩 전자 패키지의 제조 단계와 실 사용 단계에서 발생하는 기계적 신뢰성 문제를 다루었다.
기계적 신뢰성을 확보하기 위해 위상천이식 고 분해능 그림자식 모아레, 위상천이식 면내 변위 마이크로 모아레 간섭계, 위상천이식 면외 변위 Twyman-Green 간섭계를 개발하였고 이들로부터 얻은 변형 데이터를 효과적으로 해석하기 위해 위상천이 알고리즘, 위상정렬 알고리즘, 위상천이 필터와 같은 다양한 이미지 처리 기법을 확립하였다. 최종적으로, 다년간 구축한 광 측정 기법을 종합하여 기존의 모아레 갑섭계와 Twyman-Green 간섭계를 병합한 위상천이식 삼차원 간섭계를 고안하고 구축하였다. 개발된 3차원 간섭계는 한 개의 PZT 스테이지로 3축 방향의 위상천이를 구현하여 비용 절감의 효과를 꾀하였다. 또한, 3축 방향의 변위를 동시에 측정할 수 있어 보다 정밀한 변형/변형율 측정이 가능하게끔 설계되었다. 더 나아가, 측정 대상인 시편과 이미지 획득 부간의 working distance를 최소화하여 갈수록 경박.단소화 되는 전자 패키지의 미소 국부 영역의 변형 측정이 가능하게끔 구성되었다. 본 3차원 간섭계의 개발로 플립 칩 뿐 아니라 나날이 양상이 복잡.미소화되는 3D SIP/SOP 전자 패키지의 열적/기계적 변형에 대한 해석이 가능할 것으로 전망된다.
본 연구를 통해 개발된 다양한 광 측정 기법을 이용하여 플립 칩 전자 패키지의 제조 단계에서 발생하는 기계적 신뢰성 문제를 해석하였다. 소더를 이용한 플립 칩의 경우 기존의 Sn/37Pb 소더에서 비납 소더(Sn/Ag/Cu)로 전환될 때 소더 본딩 시 발생하는 잔류 변형의 문제를 해석하고 그 해결 책을 제시하였다. 언더필 된 소더 플립 칩의 경우 칩과 기판의 두께와 물성으로 결정되는 중립 축의 위치가 전체 열변형 거동을 결정 짓는 중요한 인자임을 판명하였고 신뢰성을 확보하기 위한 인자들의 최적 디자인 조건에 대하여 정리하였다.이방성 전도성 접착 필름(Anisotropic conductive adhesive film)을 이용한 플립 칩의 경우에도 본딩 시 발생하는 잔류 변형을 새로운 실험 법으로 측정하였으며 본딩 시와 본딩 후 패키지 전체의 열변형 거동을 측정하여 응력이 없는 상태 (stress-free)의 온도가 $T_g$ 임을 밝혔다. 또한, 열변형 시 발생하는 첫번 째와 그 이후 사이클 간의 이력현상에 대하여 필름의 점탄성 거동이 그 원인임을 규명하였고 필름의 점탄성 구성식 정립을 위해 Twyman-Green과 같은 광 측정 기법 적용의 가능성을 제시하였다. 다양한 본딩 조건에 따른 신뢰성 인자로서 파괴역학적 인자인 칩과 기판간 계면에서의 점착 영역 법칙 (cohesive zone law)를 도입하여 Chip on Glass (COG) 패키지에 대해 해석을 성공적으로 수행하였다.
실 사용 중에 있는 전자 패키지 제품의 신뢰성을 효과적으로 평가할 수 있는 새로운 칩 휨 양상 손상 모델을 제안하고 개발하였다. 전자 패키지와 같이 작은 구조물은 손상 인자를 실험적으로 획득하기에 많은 제약이 존재한다. 그러한 이유로 전자 패키지의 신뢰성 해석이라 함은 많은 임의성을 내포하고 있는 수치 해석에 의존하여 왔다. 이와 같은 기존의 신뢰성 평가 방법이 갖고 있는 한계를 극복하고 실험적으로 명확하게 손상의 양을 예측하고 평가할 수 있는 손상 모델을 고안하였다. 본 모델은 가동 중에 발생하는 칩의 휨 양상이 손상 발생 시, 광 측정 기법으로 감지할 수 있을 만큼 충분히 변화할 것이라는 가정으로부터 시작되었다. 칩 휨 양상 손상 모델은 칩과 연결층 (interconnection layer)간 계면에서의 균열/박리 라는 확실한 손상 기구를 지니고 있으며 기존의 저항 검출을 통한 방법과는 달리 손상의 시작점, 손상의 전파 거동, 잔존 수명에 대한 정보를 얻을 수 있는 효과적인 신뢰성 평가 기법을 제공한다.
