A new warpage analysis method was developed for predicting the warpage behavior of packaging sub-strates at room temperature and during thermal process by comparing curvatures of experimental specimens, analytic solution and FEM simulation. We adopted the specimen’s curvature instead of maximum deflection to quantify warpage phenomena. Curvature contains the information of entire shape of specimen such as curva-ture mode and orientation. The warpage analysis is performed in the order of scanning 3D surface, calculating curvature and built-in stress of film and verifying the result using FEM simulation.
Through the in-situ measurement of curvature, we find main factors of affecting the warpage behavior of packaging substrate. Warpage at room temperature is observed without thermal history that cause the thermal strain due to CTE misfit. Built-in stress in film layers such as Cu, solder resist and prepreg is the one main factor. Another is the thermal stress occurred from misfit of coefficient of thermal expansion between layers. Warpage is changed its mode and orientation under heating and cooling condition. Shortly after the thermal process, warpage slowly recover its initial value which is before thermal process. The other is moisture absorption due to porous core substrate. Built-in stress could be calculated from the specimen’s curvature using curvature-stress relation. Computed built-in stress is verified to be reasonable through the FEM simulation and predicted curva-ture shows good agreement with the experiment measurement. Our research suggest effective method for solv-ing warpage problems.
본 연구는 패키징 기판 워피지를 분석하는 새로운 방법을 제시한다. 상온에서의 휨과 열 이력을 가했을 경우 워피지에 대해서 예측하기 위해 실제 시편과 이론적 모델 그리고 FEM 시뮬레이션 결과를 비교하여 검증한다. 기존의 연구에서 시편 끝 단의 최대 높이를 측정하는 방법을 워피지의 기준으로 삼았지만 본 연구에서는 휨 곡률을 기준으로 삼았다. 휨 곡률은 휨 오리엔테이션과 모드와 같은 시편 전체의 정보를 담고 있다. 워피지 분석은 시편을 스캐닝하여 휨 곡률과 응력을 계산한다. 계산된 응력은 FEM 시뮬레이션에 대입되어 실제 시편과 비교하며 결과를 검증한다.
실시간 휨 곡률 측정을 통해 워피지 거동에 가장 큰 영향을 미치는 요인 세가지를 찾았다. 상온에서 열팽창 계수로 인한 응력이 없는 공정에서도 워피지가 생기는 경우가 발견되었고 이는 필름 층이 기판에 도포되면서 생기는 빌트인 응력으로 인해 생긴다. 또한 열 이력을 가하게 되면 층간의 열팽창 계수 차이로 인해 열 응력이 발생하게 되어 휨의 모드와 오리엔테이션이 바뀐다. 마지막으로 다공성의 폴리머로 이루어진 코어 기판은 습기에 매우 민감하여 흡습의 영향을 받아 워피지 거동에 영향을 준다. 빌트인 응력은 시편의 곡률을 이용하여 계산이 가능하며 계산된 응력은 FEM 시뮬레이션을 통해 검증하였고 높은 정확도를 보였다. 앞으로 워피지 문제 해결에 효율적인 방법이 될 것이라 예상된다.
