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.
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.
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 ...
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 the film properties because the lamination layers are hardly detached from the substrate. In order to resolve the problem, 3-point bending test is conducted with a film-substrate specimen and area transformation rule is applied to the cross-sectional area of the film region. With known substrate modulus, a modulus ratio between the film and the substrate is calculated using bending stiffness of the multilayered specimen obtained from the 3-point bending test. This method is verified using electroplated copper specimens with two types of film-substrate structure; double-sided film and single sided film. Also, common dielectric layers, prepreg (PPG) and dry film solder resist (DF SR), are measured with the double-sided specimen type. The results of copper (110.3 GPa), PPG (22.3 GPa), DF SR (5.0 GPa) were measured with high precision.
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 the film properties because the lamination layers are hardly detached from the substrate. In order to resolve the problem, 3-point bending test is conducted with a film-substrate specimen and area transformation rule is applied to the cross-sectional area of the film region. With known substrate modulus, a modulus ratio between the film and the substrate is calculated using bending stiffness of the multilayered specimen obtained from the 3-point bending test. This method is verified using electroplated copper specimens with two types of film-substrate structure; double-sided film and single sided film. Also, common dielectric layers, prepreg (PPG) and dry film solder resist (DF SR), are measured with the double-sided specimen type. The results of copper (110.3 GPa), PPG (22.3 GPa), DF SR (5.0 GPa) were measured with high precision.
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가설 설정
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.
제안 방법
가운데의 하중점을 아래로 일정량 눌러주어 휨을 인가하고 측정 구간의 하중과 중심 굽힘량의 비 F/D, 즉, 그래프의 기울기를 측정하여 탄성 계수를 계산하였다. 시험 표준 ASTM D790, D 7264를 따라, 총 굽힘량은 표면 최대 변형률 r 값이 0.
지지점 거리 10 mm, 하중 속도는 15 µm/sec 로 실험하였다. 높은 정밀도의 힘과 변위 측정을 위해 정밀 인장시험기(5965, INSTRON)를 사용하였으며 하중점 끝과 지지점 두 개의 끝이 0.25 mm의 반경을 갖는 전용 마이크로 굽힘 고정구(2810-411, INSTRON)를 사용하였다. 모든 실험은 5회 이상 수행하여 그 평균값으로 결과 값을 보고하였다.
3 GPa). 또한 비교적 굽힘 탄성계수가 낮은 주요 절연 필름 prepreg (22.3 GPa), dry film solder (5.0 GPa)도 낮은 측정 편차로 측정되어 넓은 탄성 계수 범위에서의 측정 정밀도를 검증하였다. 본 탄성계수 측정법은 적용 범위가 넓어지고 있는 박막 소자-유연기판 시스템의 신뢰성 향상 연구에 기여할 것으로 기대한다.
또한 패키징 기판의 주요 절연층인 prepreg (PPG), dry film sodler resist (DF SR)의 탄성계수 측정을 수행하였다. PPG와 DF SR의 한 층의 두께는 각각 26 µm, 11 µm이며 실제 양산 기판 구조에 착안하여 양면 적층 시편을 사용하였다.
마지막으로 도금 구리층 외에 PPG, DF SR 양면 적층 시편으로 각 절연층의 탄성계수를 측정하였다. Fig.
본 연구에서는 순수 박막 시편이 필요 없이, 기판의 탄성계수를 알 때 필름-기판 시편 또는 필름-기판-필름 시편 자체를 굽힘 시험하여 간단히 필름 탄성계수를 구하는 방법을 구축하였다. 면적 변환 법(area transformation rule)과 탄성계수의 기하적 독립성을 이용한 고체역학적 해석으로 필름의 굽힘 탄성 계수를 쉽게 측정하였으며, 검증을 위하여 전기 도금 구리, prepreg, dry film solder resist의 절연 재료가 사용되었다.
본 논문에서는 박형 기판 위 적층 된 다양한 패키징 재료의 탄성계수를 필름-기판 시편을 이용한 3점 굽힘 시험으로 측정하였다. 면적 변환법을 적용한 고체역학적 응력해석으로 간접측정법을 구축하였으며, 기판의 굽힘 탄성계수를 알고 있는 경우 별도의 단일 필름 시편 제작이 필요 없이 적층 된 상태로 본체 성질을 구할 수 있는 장점이 있다.
인장시험과 같은 그립이 따로 필요가 없으며 면 수직방향 하중에 대한 변형을 시험으로써 적은 하중으로 정밀한 측정을 할 수 있다. 본 연구에서는 순수 박막 시편이 필요 없이, 기판의 탄성계수를 알 때 필름-기판 시편 또는 필름-기판-필름 시편 자체를 굽힘 시험하여 간단히 필름 탄성계수를 구하는 방법을 구축하였다. 면적 변환 법(area transformation rule)과 탄성계수의 기하적 독립성을 이용한 고체역학적 해석으로 필름의 굽힘 탄성 계수를 쉽게 측정하였으며, 검증을 위하여 전기 도금 구리, prepreg, dry film solder resist의 절연 재료가 사용되었다.
본 측정법을 검증하기 위해 먼저 PCB용 Copper clad laminate의 전기 도금 구리의 탄성계수를 측정하였다. 위에서 분석한대로 양면 도금 시편과 단면 도금 시편을 각각 실험하여 분석 모델의 적합성을 평가하였다.
시편의 두께는1 µm의 측정 한계를 갖는 마이크로미터를 이용하여 시편의 중심부 두께를 측정하였다.
가운데의 하중점을 아래로 일정량 눌러주어 휨을 인가하고 측정 구간의 하중과 중심 굽힘량의 비 F/D, 즉, 그래프의 기울기를 측정하여 탄성 계수를 계산하였다. 시험 표준 ASTM D790, D 7264를 따라, 총 굽힘량은 표면 최대 변형률 r 값이 0.0035가 되도록 정하였으며 그 중 0.001-0.003 구간의 기울기 값을 탄성 계수 계산에 사용하였다. 원하는 최대 변형률 r을 얻기 위한 중심 굽힘량 D는 아래 수식으로 정의된다.
14,15) 이에 더불어 하중점(loading nose)과 접촉하는 시편 표면에서의 국부적 소성 변형을 방지하기 위해 본 연구에서는 지지점 거리를 넓게 취하였다. 시험편 두께 대비 50배 이상의 지지점 거리를 확보하여 낮은 하중에서 시편이 쉽게 쳐지도록 실험이 진행되었다. 지지점 거리 10 mm, 하중 속도는 15 µm/sec 로 실험하였다.
본 측정법을 검증하기 위해 먼저 PCB용 Copper clad laminate의 전기 도금 구리의 탄성계수를 측정하였다. 위에서 분석한대로 양면 도금 시편과 단면 도금 시편을 각각 실험하여 분석 모델의 적합성을 평가하였다. 도금 구리의 두께는 30~40 µm였으며 동일한 전류 밀도(3.
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.
대상 데이터
PPG와 DF SR의 한 층의 두께는 각각 26 µm, 11 µm이며 실제 양산 기판 구조에 착안하여 양면 적층 시편을 사용하였다.
단면 도금 시편의 구리 두께는 전체 두께에서 기판 두께를 빼주었고, 양면 도금 시편의 구리 두께는 상하 대칭의 두께를 가진다고 가정하여 계산하였다. 본 연구에서는 두께 0.154 mm의 절연체 기판(FR4)을 사용하였다.
154 mm의 순수 기판 시편의 경우 약 370 µm를 눌러 굽혔다가 펴주고, 굽힘량 110-330 µm 구간의 F/D 기울기를 계산하게 된다. 시편의 크기는 전체 길이 20 mm, 폭 5 mm로 커팅 플로터(Jaguar IV, GCC)를 이용하여 제작하였다. 시편의 두께는1 µm의 측정 한계를 갖는 마이크로미터를 이용하여 시편의 중심부 두께를 측정하였다.
성능/효과
절연 적층 재료인 PPG는 역시 FR4 구조인 중심의 유리섬유 층과 표면의 레진으로 구성된 복합체이기에 유리섬유 직조 방향에 대한 강성에 비해 굽힘 변형에 대한 강성이 낮은 것이 알려져 있다.15) 워 피지 등의 변형 이슈가 많은 박형 기판 및 적층 재료에 대해서는 굽힘 탄성계수를 쓰는 것이 더 정확한 휨 예측과 잔류응력 계산이 가능하므로 본 연구의 탄성계수 측정법이 유용하게 사용 될 수 있다.
2.2장의 계산법으로 구한 탄성계수 비 n 값은 양면, 단면 시편 각각 4.75±0.15, 4.43±0.12였고, 이에 해당하는 구리의 탄성계수는 110.3±3.4 GPa, 102.7±2.8 GPa로 측정 되었다.
DF SR은 product datasheet에 제공된 modulus가 5 GPa 로 측정 결과와 일치한 반면, PPG의 경우 제공 물성이 28 GPa 로써 측정된 22.3 GPa이 업체 물성에 비해 약 20%작은 값임을 알 수 있었다. 이는 PPG의 업체 제공 물성이 인장 탄성계수이며 측정한 굽힘 탄성계수가 낮은 재료 구조를 갖기 때문이다.
세 종의 시편 모두 0.0035 변형률 내에서 힘/굽힘량 기울기를 구하기 위한 선형 거동을 보였다. 순수 기판 시편의 경우 F/D 기울기 값은 평균 1695±87 N/m로써 굽힘 탄성계수가 23.
면적 변환법을 적용한 고체역학적 응력해석으로 간접측정법을 구축하였으며, 기판의 굽힘 탄성계수를 알고 있는 경우 별도의 단일 필름 시편 제작이 필요 없이 적층 된 상태로 본체 성질을 구할 수 있는 장점이 있다. 양면, 단면 전기 도금 된 구리의 탄성계수 측정으로 본 측정법을 검증하였으며 측정 결과는 문헌 값과 잘 일치하였다(110.3 GPa). 또한 비교적 굽힘 탄성계수가 낮은 주요 절연 필름 prepreg (22.
7 GPa로 측정되었다. 즉, 전기 도금 구리, PPG, DF SR 세 종류의 시편 물성 측정을 통하여 5~110 GPa의 넓은 탄성계수 범위에서 본 측정법이 측정값 편차 5% 내외의 높은 정밀도를 보였음을 확인하였다.
탄성 계수 비 n 값은 PPG, DF SR 각각 0.96±0.06, 0.22±0.03 였고, 이에 따라 탄성계수는 PPG, DF SR 각각 22.3±1.4 GPa, DF SR 5.0±0.7 GPa로 측정되었다.
후속연구
1 µm의 치수 입력 차이가 탄성계수 값에 큰 영향을 주기 때문에 시편 단면을 직접 폴리싱하여 두께를 이미지 측정하는 등의 방법을 사용한다면 더욱 정확한 결과를 얻을 것이다.
0 GPa)도 낮은 측정 편차로 측정되어 넓은 탄성 계수 범위에서의 측정 정밀도를 검증하였다. 본 탄성계수 측정법은 적용 범위가 넓어지고 있는 박막 소자-유연기판 시스템의 신뢰성 향상 연구에 기여할 것으로 기대한다.
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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