[논문]입는 기기용 휘는 패키징 기술

백경욱

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최근, 스마트폰 시대를 넘어서 구글 글래스 또는 스마트 워치와 같이 몸에 장착할 수 있는 기기들의 시장이 확장되고 있는데, 이에 따라 다양한 소비자의 욕구를충족시키기 위해 많은 기업들이 입는 기기(Wearable Electronics) 시스템에 대한 연구 개발을 진행하고 있다. 입는 기기를 구현함에 있어 4가지 핵심 기술, 1) 플렉시블 반도체, 2) 플렉시블 디스플레이, 3) 플렉시블배터리, 4) 플렉시블 패키징이 있다. 특히, 무엇보다도입는 기기의 성능을 높이면서 소형화 할 수 있고 휨 특성을 구현하여 입는 기기에 접목할 수 있도록 하는 플렉시블 전자 패키징 기술에 대한 개발이 필수적으로 필요한 상태이다.

제안 방법

첫째, 플렉시블한 반도체 칩과 FPC 기판을 사용한 패키징 방법에는 COF(Chip On Flex)와 Chip-in-Flex(CIF) 패키징 방법이 보편적으로 사용될 것이다. 그러나 CIF 구조는 COF 패키지의 반도체 상단부에 별도의 폴리머 필름을 부착함으로, 기존 COF 구조에서 나타난 과도한 휨 환경에서 반도체칩이 쉽게 깨졌던 문제점을 보완하여 반도체를 더욱 휠 수 있도록 한다. 물론 플렉시블 COF 또는 CIF 패키징 구현을 위해서는 ACF 폴리머 레진과 도전볼의 최적화가 필요하다.

성능/효과

솔더 접속 재료는 솔더 SMT(Surface Mounting Technology)방법으로 가장 널리 사용되고 있으나, 솔더의 취성과 피로 파괴 특성으로 인해 플렉시블한 패키징 접속 재료로 사용되기는 매우 어렵다. 이러한 상황에서 전기접속재료로는 전기 전도성 폴리머 복합 접합 재료가 대안으로 제안되며 이중에서도 1) 등방성(ICA(Isotropic Conductive Adhesives)), 2) 이방성(ACAs(Anisotropic Conductive Adhesives)), 3) 비전도성(NCAs(Non-conductive Adhesives)) 접착재료가 있지만, 이방성 전도접착제가 저온속경화, 미세피치 접속, 비공해물질 등 여러가지 장점으로 인해가장 강력한 플렉시블 전기전도 접속재료라 할 수 있다. 이방성 전도접착제는 주로 미경화된 열경화 폴리머필름으로 사용되며 미세한 도전입자를 분산하여 제작한다.
플렉시블 전자 패키징 기술에 대한 개발이 다양하게 진행이 되고 있지만, 전기접속 방법인 커넥터와 기존에 널리 사용되는 접합 물질인 솔더를 사용하게 되면 솔더 피로 파괴 특성으로 인해 플렉시블하지 않기 때문에 입는 기기에는 적합한 전기접속 방법이라 할 수 없다. 그럼에도 불구하고 현재 상용화된 입는 기기들을 분해해보면, 플라스틱 패키지과 솔더 SMT방법을 사용하여 반도체 패키지와 기판이 접합되거나 연성기판(FPC)이 PCB에 커넥터를 사용하여 접합되어있는 것을 확인할 수 있다. 비록 현재의 입는 기기가 초기 개발단계임으로 시장에 출시된 입는 기기들 대부분이 접합부에 휨 특성을 구현하기가 여전히 어렵다는 한계를 가지고 있다.
또한 CIF 패키지에서 얇은 칩 두께, Modulus가 높은 폴리머 레진, 폴리머 도전볼을 사용할수록 휨 특성이 개선되는 결과를 발견하였다. 그림 12는 반도체 칩의 두께에 따른 휨 특성을 나타내며, 30 마이크론 두께에서 가장 우수한 휨 특성을 갖는다.
최적화된 CIF 패키지는 두 방향의 굽힘 시험 환경에서 반도체칩이 깨지는 문제없이 최소 7mm 곡률 반경과 16만 싸이클 이상의 반복적 휨 특성을 얻을 수 있다. 또한 솔더도전볼을 사용하여 솔더 산화막을 제거하여 솔더 젖음이 개선된 접합을 구현할 경우 30% 저항 감소, 4배 이상 전류흐름성 개선, 신뢰성 특성이 대폭적으로 개선된 FOB와 FOF 플렉시블 접속을 구현할 수 있다.
물론 플렉시블 COF 또는 CIF 패키징 구현을 위해서는 ACF 폴리머 레진과 도전볼의 최적화가 필요하다. 최적화된 CIF 패키지는 두 방향의 굽힘 시험 환경에서 반도체칩이 깨지는 문제없이 최소 7mm 곡률 반경과 16만 싸이클 이상의 반복적 휨 특성을 얻을 수 있다. 또한 솔더도전볼을 사용하여 솔더 산화막을 제거하여 솔더 젖음이 개선된 접합을 구현할 경우 30% 저항 감소, 4배 이상 전류흐름성 개선, 신뢰성 특성이 대폭적으로 개선된 FOB와 FOF 플렉시블 접속을 구현할 수 있다.

후속연구

비록 현재의 입는 기기가 초기 개발단계임으로 시장에 출시된 입는 기기들 대부분이 접합부에 휨 특성을 구현하기가 여전히 어렵다는 한계를 가지고 있다. 그러나 궁극적으로 입는 기기들은 더욱 플렉시블하게 구현될 것이며, 이에 따른 해결책으로써, 높은 탄성을 가지며 쉽게 휘어질 수 있는 특성과 최적화된 도전볼을 가진 이방성 전도 필름(Anisotropic Conductive Films(ACFs)) 소재야말로 플렉시블 전자 패키징 기술에 가장 적합한 전기접합 재료로 사료된다.
따라서 관련 기술이 성숙될 때 까지는플렉시블 반도체 기술 보다는 기존 반도체 칩을 플렉시블하게 패키징하는 것이 실현 가능하며 경제적으로 현실적인 방안이다. 그러나 궁극적으로는 플렉시블 반도체 기술이야말로 미래의 반도체 부품을 플렉시블하게구현하는 기술이 될 것이다.
3mm dynamic bending 실험에서 약 100,000 사이클 굽힘시험까지 전기접속 문제가 없는 결과를 나타냈다. 이러한 결과는 앞으로 ACF를 사용한 반도체 칩을 CIF 패키지 형태로 할 경우 입는 기기에서 칩 자체가 우수한 휨 특성을 갖는 성능을 구현할 수 있어, 매우 다양한 형태의 입는 기기를 제작하는데 큰 도움이 될 것이다.
그림 2에서 보듯 이러한 입는 기기는 급속한 성장이 가능할 것이라고 예측하며 이러한 이유로 전 세계 많은 기업과 연구소, 대학 등이 앞 다투어 개발하고 있다. 이러한 추세라면 현재 스마트폰을 뛰어넘는 새로운 성장동력의 역할을 할 수 있을 것으로 기대한다. 현재까지 보고된 입는 기기의 활용분야는 크게 나누어서 4가지 분야로 알려져 있다.
25mm 반경으로 10회 이상 연속적으로 휨을 가해도 매우 안정적인 전기 특성을 얻을 수 있다. 이상 입는 기기에서는 ACF를 사용한 COF/CIF 반도체 패키징 기술과 FOB/FOF 커넥터 대체기술이 보편적으로 사용될 것으로 전망된다.
ACF를 사용한 플렉시블 패키징 기술에는 (1)칩과 기판 또는 (2)FPC와 PCB 기판 접속이 대표적인 적용 사례가 될 것이다. 첫째, 플렉시블한 반도체 칩과 FPC 기판을 사용한 패키징 방법에는 COF(Chip On Flex)와 Chip-in-Flex(CIF) 패키징 방법이 보편적으로 사용될 것이다. 그러나 CIF 구조는 COF 패키지의 반도체 상단부에 별도의 폴리머 필름을 부착함으로, 기존 COF 구조에서 나타난 과도한 휨 환경에서 반도체칩이 쉽게 깨졌던 문제점을 보완하여 반도체를 더욱 휠 수 있도록 한다.
그림 8은 플라스틱 OLED 기반 플렉시블 디스플레이를 이용한 스마트폰 제품의 예다. 향후 OLED 기술로 인해 접거나 말거나 또는 필름 형태로 다양한 표면에 다양한 플렉시블 디스플레이 제품도 가능할 것이다. 물론 플렉시블 디스플레이 제품 구현을 위해서 저온접합 공정, 극미세피치 접속, 플렉시블한 디스플레이 구동 반도체 칩 패키징 기술과 플렉시블 디스플레이를 다른 전자 부품에 접속하는 조립기술 개발도 필수적이라 하겠다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Industrial & Military 입는 기기에 요구되는 점은?	그림 6은 Industrial & Military 입는 기기들의 예를 보여주고 있다. 이분야의 경우 플렉시블 패키징 및 접속 특성은 매우 우수한 신뢰성을 요구한다.
	Infotainment 분야에서 대표적인 입는 기기는 무엇인가?	이 분야에서 대표적인 입는 기기들은 그림 3과 같은 스마트시계, 스마트안경 등으로 알려져 있다.
	Fitness & Wellness 입는 기기의 대표적인 제품은 어떠한 형태인가?	현재까지 알려진 Fitness & Wellness 입는 기기의 경우 대표적인 제품이 손목팔찌 형태의 제품이다. 그림 4는 Nike의 손목팔찌 제품과 이를 분해한 것으로 앞선 Infotainment 입는 기기와 동일한 반도체 패키지와 커넥터 기반 전기접속 기술을 사용하고 있다.

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