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유연 기판 위 적층 필름의 굽힘 탄성계수 측정
Measurement of Flexural Modulus of Lamination Layers on Flexible Substrates 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.23 no.3, 2016년, pp.63 - 67  

이태익 (한국과학기술원 기계공학과) ,  김철규 (한국과학기술원 기계공학과) ,  김민성 (아이콘즈) ,  김택수 (한국과학기술원 기계공학과)

초록
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본 논문에서는 폴리머 기반의 유연 기판 위 적층 된 다양한 필름의 굽힘 탄성계수의 간접 측정법을 소개한다. 패키징 기판의 다양한 적층 재료들의 탄성계수는 기계적으로 신뢰성 있는 전자기기 개발에 결정적이지만, 기판과 매우 견고히 접합하고 있는 적층 필름을 온전히 떼어 내어 자유지지형(free-standing) 시편을 만들기 어렵기 때문에 그 측정이 쉽지 않다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 필름-기판의 복합체 시편에 대한 3점 굽힘을 진행하였고 시편 단면에 면적 변환법(area transformation rule)을 적용한 응력 해석을 수행하였다. 탄성계수를 알고 있는 기판에 대하여, 굽힘 시험으로 얻은 다층 시편의 강성으로부터 필름과 기판의 탄성계수 비를 계산하였으며, 전기 도금 구리 시편을 이용하여 양면 적층, 단면 적층의 두 가지 해석 모델이 실험 평가되었다. 또한 주요 절연체 적층 재료인 prepreg (PPG)와 dry film solder resist (DF SR)의 굽힘 탄성계수가 양면 적층 시편 형태로 측정 되었다. 결과로써 구리 110.3 GPa, PPG 22.3 GPa, DF SR 5.0 GPa이 낮은 측정 편차로 측정 됨으로써 본 측정법의 정밀도와 범용성을 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we present an indirect method of elastic modulus measurement for various lamination layers formed on polymer-based compliant substrates. Although the elastic modulus of every component is crucial for mechanically reliable microelectronic devices, it is difficult to accurately measure ...

주제어

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  • 이는 중심부에 직조 된 유리섬유가 위치하고 표면은 에폭시인 얇은 복합체인데, 그 내부 구조가 복잡하기 때문에 미시적 영역의 연구가 아닌 경우에 균질 재료로 가정하여 실질적인 거시적 물성을 측정한다. 2.2장의 해석 모델 또한 기판을 균질 재료로 가정하였는데, 본 모델이 고전 적층판 이론(classical laminate theory)을 따르며 이것은 각 박판을 유효 물성치 (effective properties)를 갖는 등방성, 균질 재료로 해석하기 때문이다.19,20) 이는 단면 적층(single sided film) 시편의 응력해석 모델의 경우 중립축의 위치, 표면 최대 응력, 표면 최대 변형률이 실제 값과 조금씩 차이가 생기기 때문에 측정 물성에 오차를 유발 한다.
  • 3. 필름의 탄성계수를 기판의 탄성계수의 n배로 가정하고(Ef = n Es) Fig. 2와 같이 시편 단면에 면적 변환법을 적용한다. 시편이 기판 재료로만 이뤄져 있다고 가정하고 필름의 면적을 x축 방향으로 n배 확대 또는 축소시킨다.
  • 시편의 두께는1 µm의 측정 한계를 갖는 마이크로미터를 이용하여 시편의 중심부 두께를 측정하였다. 단면 도금 시편의 구리 두께는 전체 두께에서 기판 두께를 빼주었고, 양면 도금 시편의 구리 두께는 상하 대칭의 두께를 가진다고 가정하여 계산하였다. 본 연구에서는 두께 0.
  • 2와 같이 시편 단면에 면적 변환법을 적용한다. 시편이 기판 재료로만 이뤄져 있다고 가정하고 필름의 면적을 x축 방향으로 n배 확대 또는 축소시킨다.
  • 154 mm 의 박형 FR4 기판은 단층(single-ply)의 유리섬유가 에폭시에 함침 되어 경화된 형태이다. 이는 중심부에 직조 된 유리섬유가 위치하고 표면은 에폭시인 얇은 복합체인데, 그 내부 구조가 복잡하기 때문에 미시적 영역의 연구가 아닌 경우에 균질 재료로 가정하여 실질적인 거시적 물성을 측정한다. 2.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
굽힘 시험의 장점은? 이러한 실험적 한계들을 극복하기 위하여, 본 연구에서는 3점 굽힘 시험을 이용하여 적층 필름의 탄성 계수를 측정한다. 굽힘 시험은 기본적으로 시편 준비와 시험이 모두 간단하다는 장점이 있다. 인장시험과 같은 그립이 따로 필요가 없으며 면 수직방향 하중에 대한 변형을 시험으로써 적은 하중으로 정밀한 측정을 할 수 있다.
유연 전자 소자 개발의 제약을 해결하기 위해 제안된 방안들에는 무엇이 있는가? 10,11) 즉, 적층 필름을 자유지지형(free-standing)의 단일체(monolithic) 시편으로 만들기 어렵기 때문에, 최근 유연 전자 소자 개발에서도 도금 및 폴리머 열 압착 등의 적층 공정 후 필름 물성에 대한 연구에 제약을 받고 있다. 이를 해결하기 위해 나노인덴테이션 기법이 활용 될 수 있지만 국부적 측정이라는 한계로 인해 수~수십 µm의 적층 필름의 본체 성질(bulk property)을 대표한다고 보기 어렵다. 다른 방법으로 폴리머 기판에 증착 된 수백 나노미터 두께의 금속 박막의 복합체를 인장하는 간접 측정법 등이 보고 된 바 있으나,12,13) 면 방향 강성이 크고 연신율이 작은 박형 기판의 경우 인장을 위해 큰 힘이 필요하고, 이 때 그립 지그에서 시편 미끌림 현상에 의해 변형률 측정이 부정확해진다. 미끌림 방지를 위해 그립 힘을 과도하게 높이면 시편이 잘리고, 무른 film의 경우 그립 끝에서 film만 찢겨져 다층 시편에서 층간 iso-strain 가정을 만족하지 않게 된다.
굽힘 모멘트에 의한 탄성 거동만을 평가하기 위해서 요구되는 점은? 굽힘 모멘트에 의한 탄성 거동만을 평가하기 위해서는, 특히 복합체 박판의 경우에, 3점 굽힘 시 지지점 거리를 충분히 넓혀서 면 수직 방향의 전단 파괴를 방지해야 한다.14,15) 이에 더불어 하중점(loading nose)과 접촉하는 시편 표면에서의 국부적 소성 변형을 방지하기 위해 본 연구에서는 지지점 거리를 넓게 취하였다.
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참고문헌 (20)

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  2. M.-K. Lee, I.-W. Suh, H.-S. Jung, J.-H. Lee and S.-H. Choa, "Warpage of Flexible OLED under High Temperature Reliability Test", J. Microelectron. Packag. Soc., 23, 17 (2016). 

  3. C. Kim, H. Choi, M. S. Kim and T.-S. Kim, "Packaging Substrate Bending Prediction due to Residual Stress", J. Microelectron. Packag. Soc., 20, 21 (2013). 

  4. H.-S. Jung, K. Eun, E.-K. Lee, K.-Y. Jung, S.-H. Choi and S.-H. Choa, "Flexible Durability of Ultra-Thin FPCB", J. Microelectron. Packag. Soc., 21, 69 (2014). 

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  13. F. Macionczyk and W. Bruckner, "Tensile testing of AlCu thin films on polyimide foils", J. Appl. Phys., 86, 4922 (1999). 

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  15. T.-I. Lee, C. Kim, M. S. Kim and T.-S. Kim, "Flexural and tensile moduli of flexible FR4 substrates", Polym. Test., 53, 70 (2016). 

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  17. B. Weiss, V. Groger, G. Khatibi, A. Kotas, P. Zimprich, R. Stickler, et al., "Characterization of mechanical and thermal properties of thin Cu foils and wires", Sens. Actuators, A, 99, 172 (2002). 

  18. Y. Denis and F. Spaepen, "The yield strength of thin copper films on Kapton", J. Appl. Phys., 95, 2991 (2004). 

  19. Reddy, JN, "Mechanics of Laminated Composited Plates and Shells: Theory and Analysis", 2nd ed., CRCPress, NewYork, (2004). 

  20. Tao Zhou, Pulin Nie, Heping Lv, Qiulong Chen and Xun Cai, "Assessment of elastic properties of coatings by three-point bending and nanoindentation", J. Coat. Technol. Res., 8, 355 (2011). 

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