유연성 기판에 사용되는 전해 동박의 절곡 및 굴곡 피로 파괴와 인장 특성과의 관계 Relationship between Tensile Characteristics and Fatigue Failure by Folding or Bending in Cu Foil on Flexible Substrate원문보기
유연성 기판 상의 동박의 반복 굽힘 변형에 따른 절곡 빛 굴곡 신뢰성과 인장 특성과의 관계를 규명하기 위해 4종류의 동박 시편의 절곡 신뢰성 실험, 굴곡 선뢰성 실험과 인장 실험을 실시하였다. 절곡 신뢰성 실험은 동박에 5.3%의 굽힘 변형률을, 굴독 선뢰성 실험은 동박에 2.0%의 굽힘 변형률을 반복적으로 인가하면서 전기 저항 변화를 관찰하고 피로 수명을 평가하였다. 또한, 4가지 시편의 인장 실험을 통해 탄성 계수, 항복 강도, 연장 강도, 인성 등의 재료 물성을 구한 결과, 연성과 인성이 우수한 시편의 경우 절곡 및 굴곡 신뢰성이 크게 우수한 것으로 나타났다. 반면, 탄성 계수, 항복 강도의 경우 절곡 및 굴곡 신뢰성과 큰 연관성을 보이지 않았다. 이는 절곡 및 굴곡 변형에 의한 금속의 피로 파괴 거동은 재료의 파괴 인성과 밀접한 관계를 가지기 때문으로 판단된다.
유연성 기판 상의 동박의 반복 굽힘 변형에 따른 절곡 빛 굴곡 신뢰성과 인장 특성과의 관계를 규명하기 위해 4종류의 동박 시편의 절곡 신뢰성 실험, 굴곡 선뢰성 실험과 인장 실험을 실시하였다. 절곡 신뢰성 실험은 동박에 5.3%의 굽힘 변형률을, 굴독 선뢰성 실험은 동박에 2.0%의 굽힘 변형률을 반복적으로 인가하면서 전기 저항 변화를 관찰하고 피로 수명을 평가하였다. 또한, 4가지 시편의 인장 실험을 통해 탄성 계수, 항복 강도, 연장 강도, 인성 등의 재료 물성을 구한 결과, 연성과 인성이 우수한 시편의 경우 절곡 및 굴곡 신뢰성이 크게 우수한 것으로 나타났다. 반면, 탄성 계수, 항복 강도의 경우 절곡 및 굴곡 신뢰성과 큰 연관성을 보이지 않았다. 이는 절곡 및 굴곡 변형에 의한 금속의 피로 파괴 거동은 재료의 파괴 인성과 밀접한 관계를 가지기 때문으로 판단된다.
Folding endurance, bending fatigue and monotonic tensile tests of 4 kinds of Cu foil on flexible substrate was performed to investigate the relationship between folding or bending endurances and tensile characteristics. The repeated 5.3 or 2.0% strain was applied to Cu foil in folding endurance test...
Folding endurance, bending fatigue and monotonic tensile tests of 4 kinds of Cu foil on flexible substrate was performed to investigate the relationship between folding or bending endurances and tensile characteristics. The repeated 5.3 or 2.0% strain was applied to Cu foil in folding endurance test or bending fatigue test while monitoring the electrical resistance. Elastic modulus, yield strength, ultimate tensile strength, ductility, and toughness were obtained by monotonic tensile test on the same samples. The Cu foil with higher toughness and ductility showed higher reliabilities in folding or bending fatigue. However, elastic modulus and yield strength did not show any relationship with folding and bending reliability. This is because the failures of Cu foil by folding or bending fatigue were closely related to the fracture energy of metal.
Folding endurance, bending fatigue and monotonic tensile tests of 4 kinds of Cu foil on flexible substrate was performed to investigate the relationship between folding or bending endurances and tensile characteristics. The repeated 5.3 or 2.0% strain was applied to Cu foil in folding endurance test or bending fatigue test while monitoring the electrical resistance. Elastic modulus, yield strength, ultimate tensile strength, ductility, and toughness were obtained by monotonic tensile test on the same samples. The Cu foil with higher toughness and ductility showed higher reliabilities in folding or bending fatigue. However, elastic modulus and yield strength did not show any relationship with folding and bending reliability. This is because the failures of Cu foil by folding or bending fatigue were closely related to the fracture energy of metal.
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문제 정의
본 실험에서는 절곡 및 굴곡 실험을 통해 금속 배선의절곡 신뢰성을 평가함으로써 반복 굽힘 변형 이 금속 배선의 전기 저항 변화에 미치는 영향을 알아보았다. 또한 각 시편의 인장 실험을 통해 탄성 계수, 항복 강도, 인장강도, 인성, 연성 등의 재료 물성을 구한 후, 이러한 재료물성과 절곡 신뢰성을 비교하고 연관 관계를 연구하였다.
제안 방법
상이 한 제조공정을 거친 다른 제조사의 4가지 시편을 준비하였고, 이들의 인장 특성 비교를 통해 절곡 및 굴곡 특성에 가장 큰 영향을 미치는 중요인자를 확인하였다. 4가지 시편 각각의 단면 모습을 관찰하기 위해 사포와 연마천을 통해 정밀 연마하였고, 이를 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 이용해 관찰하였다. Fig.
네 가지 시편의 응력-변화율 곡선에서 아래 면적을 적분하여 각 시편의 인성(touglmess)를 구했다. Fig.
또한 각 시편의 인장 실험을 통해 탄성 계수, 항복 강도, 인장강도, 인성, 연성 등의 재료 물성을 구한 후, 이러한 재료물성과 절곡 신뢰성을 비교하고 연관 관계를 연구하였다.
인장 실험을 통해 얻은 하중.변위 곡선을 각 시편의 단면적을 고려하여 웅력. 변형률 그래프로 변환하였다.
각기 다른 4가지의 시편을 준비하였다. 상이 한 제조공정을 거친 다른 제조사의 4가지 시편을 준비하였고, 이들의 인장 특성 비교를 통해 절곡 및 굴곡 특성에 가장 큰 영향을 미치는 중요인자를 확인하였다. 4가지 시편 각각의 단면 모습을 관찰하기 위해 사포와 연마천을 통해 정밀 연마하였고, 이를 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 이용해 관찰하였다.
19 呻였다. 이와 같은 4가지 시편의 절곡 신뢰성과 굴곡 신뢰 성 을 Japanese Industrial Standard (JIS)-C64716)와 Institute for Interconnecting and Packaging Electronics Circuits Standard (IPC)-TM-6507)를 통해 각각 평 가하였다 (Fig. 1(a), (b)).
굴곡 실험시 아래 판의 이동 거리는 20 mm 였고 60 Hz의 주기로 이동하였다. 이와 같이 절곡 실험과 굴곡 실험을 진행하면서 저항 변화를 실시간으로 관찰하였다. 절곡 실험과 굴곡 실험 모두 10개 이상의 시편을 시험하였고, 전기 저항이 초기 저항에 비해 20% 증가한 싸이클을 피로 파괴 싸이클로 정의 하였다.
절곡 신뢰성과 재료 물성과의 관계를 살펴보기 위해 각시 편의 인장 시험을 실시하였다. 시편은 판상 형태의 표준 인장 시편 형태로 정밀 커팅기를 이용해 절삭하였다.
대상 데이터
시편은 판상 형태의 표준 인장 시편 형태로 정밀 커팅기를 이용해 절삭하였다. 시편의 종 길이는 50mm, 넓이는 5 mm, 가운데 변형 부분의 초기 길이는 30mm였다. 인장 실험을 통해 얻은 하중.
유연성 기판 상의 동박의 절곡 신뢰성을 평 가하기 위해 각기 다른 4가지의 시편을 준비하였다. 상이 한 제조공정을 거친 다른 제조사의 4가지 시편을 준비하였고, 이들의 인장 특성 비교를 통해 절곡 및 굴곡 특성에 가장 큰 영향을 미치는 중요인자를 확인하였다.
이와 같이 절곡 실험과 굴곡 실험을 진행하면서 저항 변화를 실시간으로 관찰하였다. 절곡 실험과 굴곡 실험 모두 10개 이상의 시편을 시험하였고, 전기 저항이 초기 저항에 비해 20% 증가한 싸이클을 피로 파괴 싸이클로 정의 하였다.
성능/효과
3%에 이르는 반복적인 변형이 일어나게 되고 이와 같은 반복 변형은 동박에 균열 형성을 유발하고, 이와 같은 균열은 전자의 이동을 방해하므로 전기 저항의 증가를 가져온 것이다.2)특히, 실험의 경우 국부적 인부분에서 반복적으로 변형 이 일어나게 되는데 이와 같은 국부적 인 손상이 전체 저항의 20%를 증가시켰다는 것은 국부적으로 극심한 기계적, 전기적 손상이 일어났다는 것을 의미한다.
6GJ/m3을 나타내었다. D 시편의 경우 A, B, C 시편에 비해 더 큰 인성 값을 나타내었고, 연성이 높은 재료의 경우 인성도 높은 결과를 나타냈다. 이처럼 D 시편의 경우 다른 시편에 비해 큰 인성값을 가졌고, 절곡 및 굴곡 수명도 j?ig.
금속의 피로 파괴의 경우 변형 이적을 경우 일반적으로 탄성 영역의 성질을 따르게 되고 변형이 큰 경우에는 소성 영역의 성질에 의해 좌우되는 것으로 알려져 있다.今 본 연구의 절곡 실험에서 가해진 변형률은 5.3%로 이는 탄성 영 역보다 큰 값이므로, 재료의 탄성 영역의 성질 보다는 소성 영역의 성질이 금속의 피로 파괴 거동에 더 큰 영향을 미치는 것으로 해석된다. 또한 굴곡 실험의 경우도 2.
5(a)에 나타내었다. 각 시편 A, B, C, D의 경우 항복 강도는 각각 122.5, 121.5, 100.1, 113.1 MPa로 측정되었다. 즉 네 시편의 항복 강도의 경우 유의차를 보이지 않았으며 이는 재료의 항복 강도와 반복 굽힘에 의한 피로 파괴와는 큰 관련이 없는 것으로 나타났다.
3(b)는 네 가지 시편의 굴곡 실험을 통해 얻은 굴곡 수명 값을 보여주고 있다. 굴곡 수명은 A, B, C, D 시편의 경우 각각 210, 000, 181,000, 130, 000, 295,000 싸이클로 D 시편이 굴곡 신뢰성이 가장 좋은 것으로 나타났다. 굴곡 실험의 경우 좌우 20mm에 걸쳐 넓은 영역에 2.
3%로 이는 탄성 영 역보다 큰 값이므로, 재료의 탄성 영역의 성질 보다는 소성 영역의 성질이 금속의 피로 파괴 거동에 더 큰 영향을 미치는 것으로 해석된다. 또한 굴곡 실험의 경우도 2.0%의 변형률 조건으로 재료의 탄성 영역보다 더 큰 변형률이 인가되었기 때문에 굴곡 실험 결과도 항복 강도와 탄성 계수와는 큰 연관성을 보이지 않은 것으로 해석된다.
같은 결론을 얻었다. 유연성 기판 상의 동박의 탄성 계수, 항복 강도와 절곡 및 굴곡 피로 수명과는 상관 관계가 없는 것으로 나타났다. 이는 피로 시험의 변형률이 탄성 구간을 넘어서 충분히 클 경우 탄성 영역의 재료의 거동은 피로 파괴에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 의미 한다.
1 MPa로 측정되었다. 즉 네 시편의 항복 강도의 경우 유의차를 보이지 않았으며 이는 재료의 항복 강도와 반복 굽힘에 의한 피로 파괴와는 큰 관련이 없는 것으로 나타났다.
5(b) 에 나타내었다. 탄성 계수의 경우에도 각 시편 간에 인지할만한 차이를 보이지 않았으며 피로 파괴 와는 상관성이 없는 것으로 나타났다. 금속의 피로 파괴의 경우 변형 이적을 경우 일반적으로 탄성 영역의 성질을 따르게 되고 변형이 큰 경우에는 소성 영역의 성질에 의해 좌우되는 것으로 알려져 있다.
이는 절곡 및 굴곡 수명과 인성이 밀접한 연관성을 갖는 다는 것을 의미 한다. 특히 인성 결과와 굴곡 실험 결과를 비교해보면 시편 A를 제외하고 굴곡 수명과 인성 값이 큰 유사성을 나타냈다. Table 1에는 4가지 시편에 대해 이상에서 구한 항복 강도, 탄성 계수, 인장 강도, 인성, 절곡 피로 수명, 굴곡 피로 수명을 나타내었다.
후속연구
이와 같은 상관관계는 인장 실험과 피로 파괴의 경우 서로 다른 기구에 의해 재료의 파괴가 일어나지만, 재료의 인성을 이용해 피로 파괴 저 항성을 예측할 수 있다는 것을 의미한다. 이와 같은 재료의 인성과 절곡 신뢰성 및 굴곡 신뢰성 간의 관계를 이용해 재료의 피로 파괴 수명 예측한다면 피로시험에 소모되는 시간과 비용을 크게 절감할 수 있을 거라 사료된다.
참고문헌 (10)
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S. Suresh, Fatigue of materials, 2nd Ed, p. 92, University press, Cambridge (1998).
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Japanese Industrial Standards (JIS), C5016 (1999).
The Institute for Interconnecting and Packaging Electronics Circuits (IPC) Standards, TM-650 (1996).
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H. Yamanobe, M. Tagami, T. Komori and M. Ito, "Reliability of flexible flat cables with excellent bending property", Hitachi Cable Rev, 19, 43 (2000).
T. Hatano, Y. Kurosawa and J. Miyake, "Effect of material processing on fatigue of FPC rolled copper foil", J. Electron. Mater. 29, 5 (2000).
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