[논문]신축성 전자패키지용 강성도 국부변환 신축기판에서의 플립칩 공정

박동현; 오태성

doi:10.6117/kmeps.2018.25.4.155

신축성 전자패키지용 강성도 국부변환 신축기판에서의 플립칩 공정
Flip Chip Process on the Local Stiffness-variant Stretchable Substrate for Stretchable Electronic Packages 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.25 no.4, 2018년, pp.155 - 161

박동현 (홍익대학교 공과대학 신소재공학과) , 오태성 (홍익대학교 공과대학 신소재공학과)

초록
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강성도가 서로 다른 polydimethylsiloxane (PDMS) 탄성고분자와 flexible printed circuit board (FPCB)로 이루어진 PDMS/FPCB 구조의 강성도 국부변환 신축기판에 $100{\mu}m$ 직경의 Cu/Au 범프를 갖는 Si 칩을 anisotropic conductive adhesive (ACA)를 사용하여 플립칩 본딩 후, ACA내 전도성 입자에 따른 플립칩 접속저항을 비교하였다. Au 코팅된 폴리머 볼을 함유한 ACA를 사용하여 플립칩 본딩한 시편은 $43.2m{\Omega}$의 접속저항을 나타내었으며, SnBi 솔더입자를 함유한 ACA로 플립칩 본딩한 시편은 $36.2m{\Omega}$의 접속저항을 나타내었다. 반면에 Ni 입자를 함유한 ACA를 사용하여 플립칩 본딩한 시편에서는 전기적 open이 발생하였는데, 이는 ACA내 Ni 입자의 함유량이 부족하여 entrap된 Ni 입자가 하나도 없는 플립칩 접속부가 발생하였기 때문이다.

Abstract ▼ AI-Helper

A Si chip with the Cu/Au bumps of $100-{\mu}m$ diameter was flip-chip bonded using different anisotropic conductive adhesives (ACAs) onto the local stiffness-variant stretchable substrate consisting of polydimethylsiloxane (PDMS) and flexible printed circuit board (FPCB). The average contact resistances of the flip-chip joints processed with ACAs containing different conductive particles were evaluated and compared. The specimen, which was flip-chip bonded using the ACA with Au-coated polymer balls as conductive particles, exhibited a contact resistance of $43.2m{\Omega}$. The contact resistance of the Si chip, which was flip-chip processed with the ACA containing SnBi solder particles, was measured as $36.2m{\Omega}$, On the contrary, an electric open occurred for the sample bonded using the ACA with Ni particles, which was attributed to the formation of flip-chip joints without any entrapped Ni particles because of the least amount of Ni particles in the ACA.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic illustration of the process flow for a local stiffness-variant stretchable substrate consisting of soft PDMS, hard PDMS, and FPCB: (a) attach the acrylicsilicone double-sided tape to FPCB, (b) attach the FPCB to a partially cured hard PDMS using the silicone adhesive of the double-sided tape, (c) fully cure the hard PDMS and process flip chip bonding, and (d) after placing the flip-chip bonded hard PDMS/FPCB into a mold, pour and fully cure the soft PDMS.
그림 Fig. 2. Optical image of the stretchable PDMS/FPCB substrate.
그림 Fig. 3. Schematic illustration of the stretchable substrate consisting of soft PDMS, hard PDMS, and FPCB on which a Si chip is mounted by flip chip bonding.
그림 Fig. 4. Fabrication process of a Si chip: (a) sputtering of Ti/Cu metallization, (b) photoresist patterning, (c) Cu and Au electroplating, (d) photoresist patterning, (e) Ti/Cu electrode formation, and (f) dispensing ACA for flip chip bonding.
그림 Fig. 5. Top-view optical image and cross-sectional scanning electron micrograph of the flip-chip bonded specimen that was processed on the PDMS/FPCB substrate with a bonding pressure of (a) 10 MPa, (b) 50 MPa, and (c) 100 MPa.
그림 Fig. 6. Scanning electron micrographs of (a) Au-coated polymer balls, (b) Ni particle, and (c) SnBi solder particle contained in each ACA.
그림 Fig. 7. Cross-sectional scanning electron micrographs of the flipchip joints processed with the ACA containing (a) Aucoated polymer balls, (b) Ni particles, and (c) SnBi solder particles.
그림 Fig. 8. Optical micrographs of (a) Au-coated polymer balls, (b) Ni particles, and (c) SnBi solder particles contained in each ACA.
그림 Fig. 9. Optical micrographs of the ACA conductive particles entrapped between the chip bump and the glass substrate. ACA conductive particles are Au-coated polymer balls, Ni particles for (c) and (d), and SnBi solder particles for (e) and (f).
그림 Fig. 10. Relative distribution frequency of the number of Ni particles entrapped between a chip bump and the glass substrate for total 42 chip bumps.
그림 Fig. 11. Optical Images of the soft PDMS/hard PDMS/FPCB stretchable substrate, where a Si chip was flip-chip bonded, at an applied strain of (a) 0% and (b) 30%.
그림 Fig. 12. Resistance change ratio, ΔR/R_o, of the Si chip, which was flip-chip bonded to the soft PDMS/hard PDMS/FPCB stretchable substrate, during cycled stretching deformation of the substrate for 10 times in the 0~30% tensile strain interval.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 island-bridge 구조의 신축성 전자패키지를 개발하기 위한 기초연구로서 탄성계수가 0.28~1.74 MPa로 매우 낮은 신축성 polydimethylsiloxane (PDMS)와탄성계수가 1.85 GPa로^3,16) PDMS보다 훨씬 높은 flexible printed circuit board (FPCB)로 구성된 강성도 국부변환 신축기판에서의 플립칩 공정을 수립하고자 하였다. 이제까지 플립칩 실장기술 개발은 주로 PCB 또는 FPCB 기판에 대해 이루어졌으며, 신축기판에서의 플립칩 본딩에 대한 보고는 매우 드문 형편이다.

제안 방법

본 연구에서는 신축성 PDMS와 FPCB로 구성된 강성도 국부변환 신축기판에서의 플립칩 공정을 수립하기 위해, 각기 Au 코팅된 폴리머 볼, Ni 입자 및 SnBi 저온솔더 입자가 함유된 ACA를 사용하여 PDMS/FPCB 신축기판에 플립칩 본딩 후 ACA내 전도성 입자에 따른 접속저항을 분석하였다. Au 코팅된 폴리머 볼을 함유한 ACA를사용하여 플립칩 본딩한 시편은 43.
5와 같이 플립칩 본딩압력이 높아지면 신축기판의 변형이 심해지기 때문에 적용할 수 있는 ACA 플립칩 본딩압력이 10 MPa로 제한된다.²⁰⁾이와 같은 예비 연구결과를 바탕으로 본 연구에서는 플립칩 본딩압력을 10 MPa로 고정하고 서로 다른 종류의 전도성 입자를 함유하고 있는 ACA를 사용하여 플립칩 본딩하고 플립칩 접속저항을 비교하였다.

대상 데이터

강성도 국부변환 신축기판의 신축부 재료로는 상용 PDMS인 Dow Corning사의 Sylgard 184를 사용하였으며 칩을 실장하기 위한 섬 부위는 FPCB를 사용하였다. 이때 PDMS 신축부에서는 충분한 탄성변형이 가능하면서도 PDMS에서 FPCB로 급격한 강성도 변화를 완화시키기 위해 강성도가 낮은 soft PDMS, 강성도가 높은 hard PDMS 와 FPCB로 구성된 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 구조의 강성도 국부변환 신축기판을 구성하였다.

성능/효과

2 mΩ의 접속저항을 나타내었다. 이에 비해 Ni 입자를 함유한 ACA를 사용하여 플립칩 본딩한 시편에서는 전기적 open이 발생하여 저항이 측정되지 않았는데, 그 이유는 ACA내 Ni 입자의 함유량이 매우 부족하여 칩 범프와 기판 패드 사이에 entrap되는 Ni 입자가 하나도 없는 플립칩 접속부가 발생하였기 때문이다. Island-bridge 패키지 구조의 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 강성도 국부변환 신축기판에 플립칩 본딩된 Si 반도체는 기판의 반복 신축변형에서 완벽하게 보호됨에 따라 신축기판의 반복 신축변형에 따른 저항변화가 관찰되지 않았다.
본 연구에서는 신축성 PDMS와 FPCB로 구성된 강성도 국부변환 신축기판에서의 플립칩 공정을 수립하기 위해, 각기 Au 코팅된 폴리머 볼, Ni 입자 및 SnBi 저온솔더 입자가 함유된 ACA를 사용하여 PDMS/FPCB 신축기판에 플립칩 본딩 후 ACA내 전도성 입자에 따른 접속저항을 분석하였다. Au 코팅된 폴리머 볼을 함유한 ACA를사용하여 플립칩 본딩한 시편은 43.2 mΩ의 접속저항을 나타내었으며, SnBi 솔더입자를 함유한 ACA를 사용하여 플립칩 본딩한 시편은 이보다 우수한 36.2 mΩ의 접속저항을 나타내었다. 이에 비해 Ni 입자를 함유한 ACA를 사용하여 플립칩 본딩한 시편에서는 전기적 open이 발생하여 저항이 측정되지 않았는데, 그 이유는 ACA내 Ni 입자의 함유량이 매우 부족하여 칩 범프와 기판 패드 사이에 entrap되는 Ni 입자가 하나도 없는 플립칩 접속부가 발생하였기 때문이다.
이에 비해 Ni 입자를 함유한 ACA를 사용하여 플립칩 본딩한 시편에서는 전기적 open이 발생하여 저항이 측정되지 않았는데, 그 이유는 ACA내 Ni 입자의 함유량이 매우 부족하여 칩 범프와 기판 패드 사이에 entrap되는 Ni 입자가 하나도 없는 플립칩 접속부가 발생하였기 때문이다. Island-bridge 패키지 구조의 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 강성도 국부변환 신축기판에 플립칩 본딩된 Si 반도체는 기판의 반복 신축변형에서 완벽하게 보호됨에 따라 신축기판의 반복 신축변형에 따른 저항변화가 관찰되지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모든 부위가 전부 신축성을 갖는 전자패키징 기술을 구현하기 위해서는 무엇이 필수적으로 요구되는가?	최근 웨어러블 디바이스에 적용하기 위해 유연성과 더불어 신축성을 갖는 전자패키징 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.1-16) 모든 부위가 전부 신축성을 갖는 전자 패키지를 구현하기 위해서는 신축기판, 신축배선과 더불어 신축성 반도체 기술이 필수적으로 요구되는데, 이중에서 신축 전자패키지의 구현에 가장 걸림돌이 되는 요소가 신축성 반도체이다.1-3) 전자 패키지에 실장하기 위한 반도체 칩은 단단하며 취성을 갖는 Si을 사용하여 제조하기 때문에 작은 변형에도 쉽게 파괴되어 신축성 기판에 실장하기에는 적합하지 않다.
	신축 전자패키지의 구현에 가장 걸림돌이 되는 요소는 무엇인가?	최근 웨어러블 디바이스에 적용하기 위해 유연성과 더불어 신축성을 갖는 전자패키징 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.1-16) 모든 부위가 전부 신축성을 갖는 전자 패키지를 구현하기 위해서는 신축기판, 신축배선과 더불어 신축성 반도체 기술이 필수적으로 요구되는데, 이중에서 신축 전자패키지의 구현에 가장 걸림돌이 되는 요소가 신축성 반도체이다.1-3) 전자 패키지에 실장하기 위한 반도체 칩은 단단하며 취성을 갖는 Si을 사용하여 제조하기 때문에 작은 변형에도 쉽게 파괴되어 신축성 기판에 실장하기에는 적합하지 않다.
	Island-bridge 신축 전자패키지는 어떤 구조인가?	1,16,17) 이와 같은 신축성 반도체의 기술수준을 감안할 때 island-bridge 구조의 신축 전자패키지가 현실적인 대안으로 인식되고 있다.1,5,16-19) Island-bridge 신축 전자패키지는 Si 반도체와 같은 기존 전자부품들이 실장된 작은 flexible printed circuit board (FPCB) 기판들을 신축성 탄성고분자인 polydimethylsiloxane (PDMS) 기판 내에 섬(island) 형태로 배열한 다음 FPCB 기판 사이를 다리(bridge) 역할을 하는 신축배선으로 연결함으로써 island인 FPCB에서는 신축이 억제되며 이들이 놓인 바다 역할을 하는 PDMS 부위에서 신축변형이 발생하는 구조이다.1,5,16-19) Island-bridge 구조의 신축성 전자패키지를 구현하기 위해서는 강성도를 국부적으로 변화시킨 신축기판 기술과 더불어 상기 신축기판에 대한 반도체 실장기술이 필수적으로 요구된다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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