FCLBGA 패키지 내 Solder Ball 배열에 따른 열전달 특성 및 패키지 변형 분석

초록

최근 반도체 소자의 소형화, 고성능 및 고출력을 요구함에 따라, 방열 면적이 감소하고 발열 밀도가 증가하게 되었다. 이에 따라 이종 소재 간 열팽창 계수 CTE(Coefficient of Thermal Expansion)의 차이로 인한 고온의 변형은 수명 단축 및 기능 저하를 야기한다. 이렇듯 높아지는 발열 밀도에 대비하여 효율적인 방열이 가능하고, 소자의 손상을 최소화하도록 응력을 줄이는 패키징 설계가 필요하다. 본 연구에서는 기존 FCBGA (Flip-Chip Ball Grid Array) 패키지의 방열성능 증진을 위 해 금속 Lid를 부착한 FCLBGA 패키지로 소자의 열원 주변부에 Solder Ball의 집중도 에 따른 방열 성능 및 응력 개선 효과를 확인하고자 COMSOL Multiphysics 기반 수치 해석을 진행하였다. 결과적으로 Solder Ball 배열이 열원에 집중될수록 전체 평균 온도에 변화가 생겼으며, 이는 Solder Ball의 배열 구성이 패키지의 방열 성능에 영향을 미친다는 것을 알 수 있는 대목이다. 이에 영향을 받아 응력 분포 또한 개선되는 것을 알수 있었으며, 방열의 효과에 더해 높은 온도에 의한 패키지의 변형을 완화할 수 있는 중요한 요소임을 보여주었다. 이에 따라 회로 설계 시 본 연구 결과에서 도출한 Solder Ball 배치의 특성을 고려하여 칩의 성능 및 수명을 증진시키는 방법을 제안한다.