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문제 정의
- 낮은 접착력은 폴리머 기판인 PI의 특성 때문이라고 알려져 있다.9, 10) 따라서 본 연구에서는 스퍼터링을 이용하여 초박형 FPCB를 제작하였고, 초박형 FPCB의 접착력을 증가시키고자 새로운 접착 박막(adhesion layer)을 개발하였다. 또한 개발된 초박형 FPCB에 대하여 인장, 비틀림 및 굽힘 피로 수명시험 등의 시험을 통하여 다양한 응력에 대한 FPCB의 강건성 및 유연성을 연구하였으며, 수치해석을 통하여 검증하였다.
- 에 의하여 수행되었다. 그러나본 연구에서는 FPCB에 걸리는 다양한 응력에 대한 내구성 및 유연성을 시험하기 위하여 다양한 신뢰성 시험을 수행하였다. FPCB의 기계적 수명 및 파괴에 대한 연구는 인장(stretching), 비틀림(twisting), 굽힘 피로수명(bending cyclic fatigue) 시험을 이용하여 진행되었다.
가설 설정
- 35 N은 인장 하중은 FPCB의 굴곡성을 평가하는 MIT 시험7)의 하중 중에서 가혹한 조건인5 Kgf의 하중에 해당하는 조건이다. FEM 모델은 초기 응력 및 변형이 없는 stress-free 상태로 가정하였으며, 인장 방향이 FPCB 구조의 수평방향인 경우와 수직방향인 경우 모두 해석을 수행하였다.
제안 방법
- 7 이였다. FCCL의 접착력 측정은 90o peel test를 사용하여 측정하였으며, peeling 속도는 10 mm/min 이였다. 접착력 시험을 위한 시편의 길이는 195 mm이며, 접착력 측정을 위한 측정 간격은 10초로 진행하였다.
- 그러나본 연구에서는 FPCB에 걸리는 다양한 응력에 대한 내구성 및 유연성을 시험하기 위하여 다양한 신뢰성 시험을 수행하였다. FPCB의 기계적 수명 및 파괴에 대한 연구는 인장(stretching), 비틀림(twisting), 굽힘 피로수명(bending cyclic fatigue) 시험을 이용하여 진행되었다. 굽힘, 인장, 비틀림 및 피로수명 시험을 진행하기 위해 자체 제작된 시험기를 개발하였으며, Fig.
- 연구에서는 두께 98 μm의 초박형 FPCB를 개발하였으며, 이를 위하여 스퍼터링 공정을 이용한 FCCL 개발 및 접착력을 향상을 위한 NiMoNb 접착층을 적용하였다. 개발된 초박형 FPCB의 기계적 유연성 및 강건성은 인장, 비틀림 및 굽힘 피로 수명 시험을 통하여 관찰하였으며, 수치해석을 이용하여 검증하였다. 수평 방향 인장 시험 결과 초박형 FPCB는 인장 변형율 7.
- 2는 인장 및 굽힘 시험 장비의 사진을 보여주고 있다. 굽힘 및 인장 시험 중에 FPCB 의 파괴 유무를 알기 위하여 멀티미터로 FPCB의 저항의 변화를 관찰하였으며, 동시에 광학현미경으로 FPCB 표면의 크랙 유무를 관찰하였다. 저항이 급격히 크게 변하 거나, FPCB의 표면에 크랙이 발생할 경우 및 FPCB가 절단 혹은 파손된 시점을 파괴 시점이라고 간주하고 시험을 중단하였다.
- 9(a)는 초박형 FPCB에 대해서 굽힘 피로 수명 시험을 진행한 결과이다. 굽힘 수명 시험은 곡률 반경을5 mm로 고정한 후 총 10,000회를 수행하였다. 굽힘 수명 시험을 10,000회 진행 후에도 저항의 변화는 없었으며, 회로선 및 FPCB 기판에 미세 크랙은 발생하지 않았다.
- FPCB의 기계적 수명 및 파괴에 대한 연구는 인장(stretching), 비틀림(twisting), 굽힘 피로수명(bending cyclic fatigue) 시험을 이용하여 진행되었다. 굽힘, 인장, 비틀림 및 피로수명 시험을 진행하기 위해 자체 제작된 시험기를 개발하였으며, Fig. 2는 인장 및 굽힘 시험 장비의 사진을 보여주고 있다. 굽힘 및 인장 시험 중에 FPCB 의 파괴 유무를 알기 위하여 멀티미터로 FPCB의 저항의 변화를 관찰하였으며, 동시에 광학현미경으로 FPCB 표면의 크랙 유무를 관찰하였다.
- 9, 10) 따라서 본 연구에서는 스퍼터링을 이용하여 초박형 FPCB를 제작하였고, 초박형 FPCB의 접착력을 증가시키고자 새로운 접착 박막(adhesion layer)을 개발하였다. 또한 개발된 초박형 FPCB에 대하여 인장, 비틀림 및 굽힘 피로 수명시험 등의 시험을 통하여 다양한 응력에 대한 FPCB의 강건성 및 유연성을 연구하였으며, 수치해석을 통하여 검증하였다.
- 비틀림 시험은 회전축이 서로 마주보고 있는 상태에서 xrot 방향으로 각각 1o 단위로 움직이게 된다. 또한 비틀림 시험기에 고정되어 있는 샘플은 인장 응력의 영향을 최소화 하고자 LM guide를 설치하여 축 방향으로 자유롭게 움직일 수 있게 제작하였다. 비틀림 시험기는 초기 상태인 0 o 에서 최대 180o 까지 진행이 가능하며, 속도 조절이 가능하도록 제작하였다.
- Cu의 탄성계수는 75 GPa이며, 항복 응력은 85 MPa이다. 변위 경계는 모델의 한쪽 옆면의 X, Y, Z 방향을 모두 구속하였으며, 변위 경계가 적용되는 면의 반대쪽에 35 N의 인장하중을 적용하였다. 35 N은 인장 하중은 FPCB의 굴곡성을 평가하는 MIT 시험7)의 하중 중에서 가혹한 조건인5 Kgf의 하중에 해당하는 조건이다.
- 비틀림 각도가 150o 임에도 불구하고, 회로선이나 FPCB 기판에는 미세 크랙이나 파괴가 발생하지 않았음을 알 수 있다. 본 연구에서 비틀림 각도를 150o 이상 실험하지 않은 이유는 실제 FPCB 적용에 있어서 FPCB가 150o 이상 비틀림 되는 경우가 거의 없을 것으로 판단하여 그 이상의 각도에 대해서는 시험을 수행하지 않았다.
- 본 연구에서 초박형 FPCB 및 두께 130 μm의 기존 FPCB에 대하여 인장 되었을 때의 FPCB에 걸리는 응력및 변형량을 계산하여, 초박형 FPCB 샘플이 기존 FPCB 에 비하여 어느 정도의 응력에 대한 강건성이 있는지를 수치해석을 이용하여 분석하였다.
- 또한 비틀림 시험기에 고정되어 있는 샘플은 인장 응력의 영향을 최소화 하고자 LM guide를 설치하여 축 방향으로 자유롭게 움직일 수 있게 제작하였다. 비틀림 시험기는 초기 상태인 0 o 에서 최대 180o 까지 진행이 가능하며, 속도 조절이 가능하도록 제작하였다.
- 2 μm 이였다. 스퍼터링 공정이 완료된 후 electroplating 공정을 이용하여 구리 도금을 수행하고 FPCB를 제작하였다. 제작된 최종 초박형 FPCB의 두께는 98 μm 이였으며, 그 중 FCCL의 두께는 23 μm 이였다.
- 연구에서는 두께 98 μm의 초박형 FPCB를 개발하였으며, 이를 위하여 스퍼터링 공정을 이용한 FCCL 개발 및 접착력을 향상을 위한 NiMoNb 접착층을 적용하였다.
- FCCL 구조는 구리박막과 접착층(또는 buffer layer), 그리고 PI 필름으로 구성되어 있다. 우선 PI 필름의 접착성을 향상시키기 위하여 roll-toroll 공정에서 RF 상온 플라즈마 처리 공정을 이용하여 PI 표면을 플라즈마 처리하였다. 플라즈마 처리 공정 후에 PI 기판 위에 접착층을 DC magnetron 스퍼터링 공정을 이용하여 증착한다.
- 초박형 FPCB의 기계적 내구성을 관찰하기 위해 인장 (stretching) 즉, uni-axial tensile 시험을 수행하였다. 인장 시험은 인장되는 방향이 FPCB의 수평 방향과 수직방향으로 각각 달리 하여 시험을 진행하였다. 이는 FPCB의 방향이 인장 강도에 미치는 영향을 알아보기 위함이다.
- 기계적 내구성 시험을 위한 FPCB 시편은 길이 및 폭이 15 mm×30 mm 인 크기로 제작되었다. 저항 측정은 FPCB 회로선 위에 납땜을 하였고, 초기 저항 및 인장 시험 중에 발생하는 저항을 실시간으로 측정하였다.
- FCCL의 접착력 측정은 90o peel test를 사용하여 측정하였으며, peeling 속도는 10 mm/min 이였다. 접착력 시험을 위한 시편의 길이는 195 mm이며, 접착력 측정을 위한 측정 간격은 10초로 진행하였다. 접착력은 총 10개의 샘플에 대해서 수행하여 평균값을 산출하였다.
- Ni-Cr 층의경우 Ni 및 Cr의 두께비를 각각 다르게 증착한 2 가지 접착층을 사용하였다. 즉 Ni-Cr의 두께비를 93:7 및 8:2의 두께비를 사용하여 각각 증착하였다. NiMoNb의 조성비는 85.
- 초박형 FPCB의 기계적 내구성을 관찰하기 위해 인장 (stretching) 즉, uni-axial tensile 시험을 수행하였다. 인장 시험은 인장되는 방향이 FPCB의 수평 방향과 수직방향으로 각각 달리 하여 시험을 진행하였다.
- 접착력은 총 10개의 샘플에 대해서 수행하여 평균값을 산출하였다. 한편 제작된 초박형 FPCB의 특성 및 기계적 신뢰성을 비교하기 위하여, 기존에 사용되고 있는 FPCB를 제작하여 비교 분석하였다. 기존 FPCB의 두께는 130 μm 이며, 그 중 FCCL의 두께는 48 μm 이였다.
- 5를 사용하였다. 해석에 사용된 요소는 8절점 3차원 요소인 SOLID185를 사용하였으며, 해석 결과의 정확성을 높이기 위해 mapped mesh 하였다. 유한요소 해석에 사용된 각 재료의 물성은 기존 문헌에서 사용된 대표 값을 사용하였으며15), Table 2에 명시하였다.
대상 데이터
- 기존에 잘 알려진 Ni, Ni-Cr3) 및 최근에 소개된 NiMoNb11)를 사용하여 FCCL을 제작하였다. Ni-Cr 층의경우 Ni 및 Cr의 두께비를 각각 다르게 증착한 2 가지 접착층을 사용하였다. 즉 Ni-Cr의 두께비를 93:7 및 8:2의 두께비를 사용하여 각각 증착하였다.
- PI 기판은 Kapton PI 필름이며(Toray DuPont), 두께는 20 μm이다.
- 기계적 내구성 시험을 위한 FPCB 시편은 길이 및 폭이 15 mm×30 mm 인 크기로 제작되었다.
- 접착층의 종류는 총 4개의 접착층을 사용하여 시험하였다. 기존에 잘 알려진 Ni, Ni-Cr3) 및 최근에 소개된 NiMoNb11)를 사용하여 FCCL을 제작하였다. Ni-Cr 층의경우 Ni 및 Cr의 두께비를 각각 다르게 증착한 2 가지 접착층을 사용하였다.
- 접착층의 종류는 총 4개의 접착층을 사용하여 시험하였다. 기존에 잘 알려진 Ni, Ni-Cr3) 및 최근에 소개된 NiMoNb11)를 사용하여 FCCL을 제작하였다.
- 제작된 최종 초박형 FPCB의 두께는 98 μm 이였으며, 그 중 FCCL의 두께는 23 μm 이였다.
데이터처리
- FPCB의 크기는 두 샘플 모두 550 μm의 폭과 1,100 μm의 길이를 갖는다. 유한요소 해석은 상용 해석 프로그램인 ANSYS 14.5를 사용하였다. 해석에 사용된 요소는 8절점 3차원 요소인 SOLID185를 사용하였으며, 해석 결과의 정확성을 높이기 위해 mapped mesh 하였다.
- 접착력 시험을 위한 시편의 길이는 195 mm이며, 접착력 측정을 위한 측정 간격은 10초로 진행하였다. 접착력은 총 10개의 샘플에 대해서 수행하여 평균값을 산출하였다. 한편 제작된 초박형 FPCB의 특성 및 기계적 신뢰성을 비교하기 위하여, 기존에 사용되고 있는 FPCB를 제작하여 비교 분석하였다.
이론/모형
- 이 때 접착층의 두께는 20 nm이다. 접착층의 두께는 Alpha-step 측정기를 이용하여 측정하였다. 접착층의 증착이 완료된 후 seed layer로서 구리를 Ar 환경 하에서 스퍼터링 공정으로 증착하였다.
성능/효과
- 11은 초박형 FPCB와 기존 FPCB을 35 N의 힘으로 수평 방향, 즉 구리선과 일치되는 방향으로 인장하였을때 FPCB의 변형량을 보여주고 있다. 35 N의 힘을 가했을때 초박형 FPCB는 3.8%의 변형량이 발생하였으며, 기존 FPCB는 약 4.3%의 변형량이 발생하였음을 알 수 있었다. 두께가 얇은 초박형 FPCB가 역시 인장 변형율이 많음을알 수 있다.
- 4)초박형의 FPCB를 제작하기 위해서는 얇은 구리 박막을 구현할 수 있는 초박형의 FCCL을 적용해야 하나, 현재까지는 casting 공법의 FCCL을 사용하기 때문에 얇은 구리 박막을 구현하기 힘들었다. 그러나 스퍼터링(sputtering) 공법을 이용한 FCCL을 적용 할 경우 구리 두께를 자유자재로 형성할 수 있기 때문에 초박형의 FCCL의 제작이 가능하다.
- 이는 PI 기판과 증착된 구리 박막의 접착력(adhesion)이 나쁘기 때문이다.8) PI 기판과 구리 박막의 접착력이 낮을 경우 인장, 굽힘 및 비틀림 등의 외부 변형 시, 접착된 계면에서 응력 집중이 발생하여 FCCL의 파괴가 발생한다. 낮은 접착력은 폴리머 기판인 PI의 특성 때문이라고 알려져 있다.
- 최대 von Mises 응력은 초박형 FPCB의 경우 219 MPa, 기존 FPCB의 경우 218 MPa를 나타내고 있으며, 응력은 거의 동일함을 알 수있었다. 결론적으로 두 개의 샘플이 인장 시에 걸리는 응력 및 변형량을 해석한 결과 큰 차이를 보이지는 않고 있 으며, 실험 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다. 따라서 초박형 FPCB의 강건성이 확보되었음을 알 수 있었다.
- 수직 방향으로 인장을 하였을 경우는 변형율 및 최대 von Mises 응력의 크기는 두 가지 샘플에 대해서 유사한 값을 보여주고 있다. 결론적으로 제작된 초박형 FPCB는 충분한 기계적 유연성과 내구성을 갖고 있음을 알 수 있었다.
- 6%로 관찰되었다. 비틀림 시험 결과 초박형 FPCB 및 기존 FPCB는 비틀림 각도 120o 이상의 비틀림 강건성을 갖고 있음을 알 수 있었다. 굽힘 수명시험을 10,000회 진행 후에도 초박형 FPCB의 저항의 변화는 없었으며, 회로선 및 FPCB 기판에 미세 크랙은 발생하지 않았다.
- 초박형 FPCB가 인장 변형율 면에서 열세이지만, 실제 사용 환경에서 FPCB가 7% 이상 인장되는 경우가 거의 없기 때문에 충분한 인장강도를 갖고 있다고 판단된다. 수직 방향으로 인장 시에 파괴 인장 변형율은 초박형 FPCB는 2.8%, 기존 FPCB는 4.6%로 관찰되었다. 비틀림 시험 결과 초박형 FPCB 및 기존 FPCB는 비틀림 각도 120o 이상의 비틀림 강건성을 갖고 있음을 알 수 있었다.
- 개발된 초박형 FPCB의 기계적 유연성 및 강건성은 인장, 비틀림 및 굽힘 피로 수명 시험을 통하여 관찰하였으며, 수치해석을 이용하여 검증하였다. 수평 방향 인장 시험 결과 초박형 FPCB는 인장 변형율 7.6%, 기존 FPCB는 변형율 10% 까지 인장이 가능함을 알 수 있었다. 초박형 FPCB가 인장 변형율 면에서 열세이지만, 실제 사용 환경에서 FPCB가 7% 이상 인장되는 경우가 거의 없기 때문에 충분한 인장강도를 갖고 있다고 판단된다.
- 그림에서 FPCB의 저항의 변화는 ΔR(=R-RO)로 표시하였으며, RO은 초기 FPCB의 저항이며, R은 인장 시험 후의 저항의 변화값이다. 시험 결과 인장 변형율(strain) 7.6%에서 FPCB 기판의 파괴가 발생하였다. Fig.
- 인장 시험 결과를 종합하면, 초박형 FPCB의 수평방향의 인장 변형율은 약 7%이며, 수직 방향의 인장 변형율은 약 2.8% 로서 기존 두께 130 μm의 FPCB에 비하여 인장 내구성은 약간 열세에 있다.
- 접착층의 경우 NiMoNb 접착층을 사용할 경우가 가장 큰 접착력을 얻었으며 이는 양산에 적용하기에 충분한 접착력이었다. 인장에 의한 변형율과 응력을 수치 해석을 이용하여 계산한 결과, 35 N의 힘을 가했을 때 수평 방향의 경우 초박형 FPCB의 변형량은 3.8% 그리고 기존 FPCB의 변형량은 4.3%으로 초박형 FPCB의 인장 변형율이 약간 큼을 알 수 있다. 이때 발생하는 최대 von Mises 응력은 초박형 FPCB는 428 MPa이며, 기존 FPCB의경우 약 408 MPa로서 최대응력의 크기는 유사하였다.
- 9(b)는 기존 FPCB 샘플에 대한 굽힘 피로 시험 결과이다. 초박형 FPCB의 결과와 마찬가지로 굽힘 시험을 10,000회 진행결과 저항 변화는 발생하지 않았으며 회로선 및 FPCB 기판에 미세 크랙이나 파괴는 발생하지 않았음을 알 수 있다.
- 14는 초박형 FPCB와 기존 FPCB를 수직 방향으로 인장하였을 때의 최대 von Mises 응력을 보여주고 있다. 최대 von Mises 응력은 초박형 FPCB의 경우 219 MPa, 기존 FPCB의 경우 218 MPa를 나타내고 있으며, 응력은 거의 동일함을 알 수있었다. 결론적으로 두 개의 샘플이 인장 시에 걸리는 응력 및 변형량을 해석한 결과 큰 차이를 보이지는 않고 있 으며, 실험 결과와 잘 일치함을 알 수 있었다.
- 6%에서 FPCB의 파괴가 발생하였다. 파괴된 FPCB 기판의 상태를 살펴보면, 비교적 두께가 얇은 부분, 즉 PI 기판에서 파괴가 발생한 것을 알 수 있었다. 인장 시험 결과를 종합하면, 초박형 FPCB의 수평방향의 인장 변형율은 약 7%이며, 수직 방향의 인장 변형율은 약 2.
후속연구
- 한편 Bang 등11)의 결과에 의하면 NiMoNb 접착층을 사용한 경우에 상온 플라즈마 처리의 효과는 표면의 거칠기 증가로 인한 접착력의 향상 보다는, 오히려 PI 기판 표면의 functional group의 변화로 인한 접착력의향상 효과가 더 크다고 보고하였다. 따라서 상온 플라즈마 조건 및 플라즈마 처리 후의 표면의 상태에 대한 보다 세밀한 연구가 향후 필요하며, 이를 통하여 접착력을 좀더 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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