[논문]Island-Bridge 구조의 강성도 경사형 신축 전자패키지의 유효 탄성계수 및 변형거동 분석

오태성

doi:10.6117/kmeps.2019.26.4.039

[국내논문] Island-Bridge 구조의 강성도 경사형 신축 전자패키지의 유효 탄성계수 및 변형거동 분석
Analysis on Effective Elastic Modulus and Deformation Behavior of a Stiffness-Gradient Stretchable Electronic Package with the Island-Bridge Structure 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.4, 2019년, pp.39 - 46

초록
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Polydimethylsiloxane (PDMS)를 베이스 기판으로 사용하고 이보다 강성도가 높은 flexible printed circuit board (FPCB)를 island 기판으로 사용하여 island-bridge 구조의 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 신축 패키지를 형성하고, 이의 유효 탄성계수와 변형거동을 분석하였다. 각기 탄성계수가 0.28 MPa, 1.74 MPa 및 1.85 GPa인 soft PDMS, hard PDMS, FPCB를 사용하여 형성한 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 신축 패키지의 유효 탄성계수는 0.58 MPa로 분석되었다. Soft PDMS/hard PDMS/FPCB 신축 패키지에서 soft PDMS의 변형률이 0.3이 되도록 인장시 hard PDMS와 FPCB의 변형률은 각기 0.1과 0.003이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A stiffness-gradient soft PDMS/hard PDMS/FPCB stretchable package of the island-bridge structure was processed using the polydimethylsiloxane (PDMS) as the base substrate and the more stiff flexible printed circuit board (FPCB) as the island substrate, and its effective elastic modulus and stretchable deformation characteristics were analyzed. With the elastic moduli of the soft PDMS, hard PDMS, and FPCB to be 0.28 MPa, 1.74 MPa, and 1.85 GPa, respectively, the effective elastic modulus of the soft PDMS/hard PDMS/FPCB package was analyzed as 0.58 MPa. When the soft PDMS of the soft PDMS/hard PDMS/FPCB package was stretched to a tensile strain of 0.3, the strains occurring at hard PDMS and FPCB were found to be 0.1 and 0.003, respectively.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic illustration of the stiffness-gradient stretchable package consisting of the soft PDMS, hard PDMS, and FPCB.
그림 Fig. 2. Schematic illustration of the process flow for the stiffnessgradient stretchable package with the soft PDMS/hard PDMS/FPCB structure: (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 flip-chip bonding, and (d) pour and fully cure the soft PDMS after placing the flip-chip bonded hard PDMS/FPCB into a mold.
그림 Fig. 3. Optical image of the hard PDMS/FPCB substrate.
그림 Fig. 4. Optical Images of the soft PDMS/hard PDMS/FPCB package elongated for a tensile strain of (a) 0, (b) 0.1, (c) 0.2, and (d) 0.3.
그림 Fig. 5. Tensile strains measured for the soft PDMS, hard PDMS, and FPCB of the stiffness-gradient package substrate as a function of the applied tensile strain.
그림 Fig. 6. Schematic illustration of the soft PDMS/hard PDMS/FPCB substrate consisting of the edge region I, intermediate region II, and center region III, which are in the isostress condition: ①, ②, and ④ are all soft PDMS, ③ and ⑤ are the area formed with two layers of soft PDMS and hard PDMS, and ⑥ is the island area formed with three layers of soft PDMS, hard PDMS, and FPCB.
그림 Fig. 8. Schematic cross-sectional illustration of the island part consisting of the soft PDMS, hard PDMS, and FPCB.
그림 Fig, 7. Schematic cross-sectional illustration of the intermediate stiffness part consisting of the soft PDMS and hard PDMS.
그림 Fig, 9. Schematic illustration of the soft PDMS/hard PDMS/FPCB substrate consisting of the edge region IV, intermediate region V, and center region VI, which are in the isostrain condition: ①, ②, and ④ are all soft PDMS, ③ and ⑤ are the area formed with two layers of soft PDMS and hard PDMS, and ⑥ is the island area formed with three layers of soft PDMS, hard PDMS, and FPCB.
그림 Fig. 10. Schematic illustration of the tensile strains analyzed at each part of the soft PDMS/hard PDMS/FPCB substrate with (a) the isostress condition among the edge region I, intermediate region II, and center region III, and (b) the isostrain condition of the edge region IV, intermediate region V, and center region VI.

AI 본문요약
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문제 정의

신축성과 장시간 신뢰성이 우수한 Island-bridge 구조의 신축 패키지를 개발하기 위해서는 강성도가 낮아 바다 (sea) 역할을 하는 PDMS와 강성도가 높아 island 역할을 하는 FPCB를 조합한 신축 패키지의 탄성 특성에 대한 이해가 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 island-bridge 구조의 신축 패키지를 개발하기 위한 기본연구로서 강성도가 각기 0.28 MPa, 1.74 MPa과 1.85 GPa인 soft PDMS, hard PDMS와 FPCB를 사용하여 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 구조의 강성도 경사형 신축 패키지를 형성한 후 이의 유효 탄성계수와 변형거동을 분석하였다.

가설 설정

Fig. 6과 같이 가장자리 I 부위, 중간 II 부위, 중앙 III 부위가 등응력 조건일 때와 Fig. 9와 같이 가장자리 IV 부위, 중간 V 부위, 중앙 VI 부위가 등변형률 조건일 때를 가정하고, 가장자리 I 또는 IV 부위에 있는 soft PDMS의 변형률이 0.3이 되도록 신축 패키지를 인장시 hard PDMS와 FPCB에서 발생하는 변형률을 구하여 Fig. 10에 비교하였다. Fig.

제안 방법

3,4) Hard PDMS/FPCB 기판에 플립칩 본딩한 Si 칩은 5 mm×5 mm 크기로, 직경 100 μm, 피치 600 μm인 범프 42개로 구성된 daisy chain 구조로 이루어져 있으며, 이전 논문에 기술한 방법을 따라 제작하였다.
Soft PDMS/hard PDMS/FPCB 신축 패키지의 인장변형 거동을 분석하기 위해, 신축 패키지를 6 mm/min의 변형률 속도로 30% 변형률까지 인장하면서 soft PDMS, hard PDMS와 FPCB 각 부위에서의 길이 변화를 측정하여 변형률을 구하였다.
본 연구에서는 강성도가 높은 FPCB를 island 기판으로 사용하고 강성도가 낮은 PDMS를 베이스 기판으로 사용 한 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 구조의 강성도 경사형 신축 패키지의 유효 탄성계수와 변형거동을 등응력 조건과 등변형률 조건을 사용하여 분석하였다. 크기 30 mm×70 mm×1.

대상 데이터

3,4,22) 본 연구에서 사용한 FPCB는 크기 8 mm×30 mm이며, 총 두께는 78 μm로 45 μm 두께의 폴리이미드, 18 μm 두께의 Cu daisy-chain 패턴과 15 μm 두께의 포토솔더 레지스트로 이루어져 있다.
은 중앙부 III을 구성하는 ④, ⑤, ⑥ 부위의 부피분율이다. E₄ = 0.28 MPa, E₅ = 1.26 MPa, E₆ = 93.7 MPa, V₄ = 0.33, V₅ = 0.4와 V₆ = 0.27을 대입하여 중앙부 III의 유효 탄성계수 E_III = 25.9 MPa을 구하였다.
두께 1 mm인 hard PDMS/FPCB 기판을 18 mm×40 mm 크기로 다이싱하여 Fig. 3과 같은 hard PDMS/FPCB 신축기판을 제작하였다.

성능/효과

5에 나타내었다.³⁾ 이때 hard PDMS의 변형률은 가운데 부분과 측면부에서 발생한 변형률의 평균값을 취하였다. Soft PDMS의 인장변형률이 0.
4에 나타내었다.^3,4)변형률 0.3에서도 soft PDMS와 hard PDMS 및 FPCB가 서로 잘 붙어 있으며, 신축변형이 강성도가 가장 낮은 soft PDMS 부위에서 주로 발생하는 것이 관찰되었다. Hard PDMS는 FPCB 위에 부착된 가운데 부분은 변형이 적게 발생하는 반면에 양 측면부는 상대적으로 조금 더 늘어나 그 위의 soft PDMS와의 계면이 오목한 형상을 나타내었다.
4) Soft PDMS/hard PDMS/FPCB 강성도 경사형 신축기판의 두께는 1.5 mm이었으며, 크기는 30 mm×70 mm이다.
³⁾ 이때 hard PDMS의 변형률은 가운데 부분과 측면부에서 발생한 변형률의 평균값을 취하였다. Soft PDMS의 인장변형률이 0.1~0.3 범위일 때, hard PDMS의 변형률은 0.04~0.11로 soft PDMS에 비해 37~40% 정도 적게 변형되었으며, 강성도가 가장 높은 FPCB에서는 변형이 거의 발생하지 않았다. Soft PDMS/hard PDMS/FPCB 신축 패키지에서 FPCB의 변형거동은 PDMS와의 큰 강성도 차이에 기인하며 플립칩 실장된 Si 칩에 의한 영향이 없으므로, 이후 신축 패키지의 변형거동을 분석 시 Si 칩은 고려 대상에서 제외하였다.
15로 서로 다르게 분석되었는데, 실제 신축 패키지에서는 이와 같은 변형거동을 보이기는 어려울 것으로 판단되었다. 또한 IV 부위의 soft PDMS의 변형률을 보면 hard PDMS와 접하고 있지 않은 부분이나 접하고 있는 부분에서 모두 0.3의 동일한 변형률을 나타내는 것으로 분석되어 hard PDMS와의 본딩에 의한 제약이 고려되지 않은 결과를 나타내었다. 마찬가지로 V 부위에서도 hard PDMS의 변형률이 FPCB와 본딩 유무에 무관하게 0.
58 MPa로 분석되었다. 신축 패키지를 soft PDMS로만 구성되어 있는 가장자리 부, soft PDMS와 hard PDMS로 구성된 중간부, soft PDMS, hard PDMS와 FPCB로 이루어진 중앙부로 구분하여 신축 패키지의 변형거동을 분석시 가장자리 부, 중간부와 중앙부의 등응력 조건으로 분석한 변형거동이 등변형률 조건으로 분석한 결과보다 실제 변형거동에 훨씬 더 잘 부합하는 것으로 판단되었다. 신축 패키지의 가장자리 부, 중간부, 중앙부의 등응력 조건에서 가장자리 부의 soft PDMS가 0.
신축 패키지를 soft PDMS로만 구성되어 있는 가장자리 부, soft PDMS와 hard PDMS로 구성된 중간부, soft PDMS, hard PDMS와 FPCB로 이루어진 중앙부로 구분하여 신축 패키지의 변형거동을 분석시 가장자리 부, 중간부와 중앙부의 등응력 조건으로 분석한 변형거동이 등변형률 조건으로 분석한 결과보다 실제 변형거동에 훨씬 더 잘 부합하는 것으로 판단되었다. 신축 패키지의 가장자리 부, 중간부, 중앙부의 등응력 조건에서 가장자리 부의 soft PDMS가 0.3의 변형률로 인장될 때 hard PDMS의 변형률은 soft PDMS 변형률의 32%인 0.1, 그리고 FPCB의 변형률은 soft PDMS 변형률의 1%인 0.003으로 분석되었으며, 이는 실제 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 신축 패키지를 인장시키며 각 부위에서 측정한 변형률과 잘 일치하였다. 이와 같은 변형거동을 바탕으로 soft PDMS/hard PDMS/PTFE 신축 패키지의 유효 탄성계수는 가장자리 부, 중간부와 중앙부의 등변형률 조건을 가정하고 구한 0.
58 MPa을 구하였다. 신축 패키지의 유효 탄성계수가 soft PDMS의 탄성계수보다 2배 정도 증가하였다.
003으로 분석되었으며, 이는 실제 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 신축 패키지를 인장시키며 각 부위에서 측정한 변형률과 잘 일치하였다. 이와 같은 변형거동을 바탕으로 soft PDMS/hard PDMS/PTFE 신축 패키지의 유효 탄성계수는 가장자리 부, 중간부와 중앙부의 등변형률 조건을 가정하고 구한 0.44 MPa보다는 등응력 조건을 가정하고 구한 0.58 MPa과 더 잘 일치할 것으로 판단된다.
크기 30 mm×70 mm×1.5 mm이며 탄성계수가 0.28 MPa인 soft PDMS, 크기 18 mm×40 mm×1 mm이며 탄성계수가 1.74 MPa인 hard PDMS와 크기 8 mm×30 mm×78 μm이며 탄성계수가 1.85 GPa인 FPCB를 조합하여 형성한 신축 패키지의 유효 탄성계수는 0.44~0.58 MPa로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Si 반도체의 특징은 무엇인가?	유기물 반도체를 포함한 유기물 전자부품을 개발하고자 하는 연구들이 진행되고 있으나, 이들의 특성이 Si 반도체와 기존 전자부품들에 비해 매우 떨어지기 때문에 이들을 전자 패키지 공정에 적용하는 것이 매우 어려운 실정이다. 5,16) 이를 해결하기 위해 Si 반도체와 같이 딱딱하고 신축성이 없는 기존 전자 부품들을 강성도가 높은 island 기판에 실장한 후, island 기판들을 신축성 탄성고분자기판 내에 배열하고 이들 사이를 신축배선을 사용하여 연결한 island-bridge 구조의 신축 패키지가 개발되고 있다. 3,4,17-23) Island-bridge 구조 의 신축 패키지에서 신축변형이 발생하는 신축성 베이스 기판으로는 PDMS가 주로 사용되고 있으며 신축변형 이 억제되는 island 기판으로는 FPCB가 주로 사용되고 있다.
	신축성 전자소자에 대한 요구를 만족 하기 위한 제품의 발전은 어떠한가?	최근 인공 센싱피부, 스킨패치형 센서, 생의학 전극, 스마트 의류, 전자 눈(electronic eyes), 벤딩 엑츄에이터, 스마트 헬스케어용 웨어러블 기기 등과 같이 다양한 용도 에 응용하기 위해 유연성과 함께 신축성을 지닌 신축성 전자소자에 대한 요구가 급격히 증대하고 있다. 1-15) 이와 같은 요구에 부응하기 위해 전자 패키지 기술이 딱딱하고 변형이 어려운 printed circuit board(PCB) 기반으로부터 어느정도의 굽힘이 가능한 flexible printed circuit board (FPCB)를 기반으로 한 유연 패키지를 거쳐 궁극적으로는 형상 자유도를 구현할 수 있도록 polydimethylsiloxane (PDMS)와 같은 탄성 고분자를 기반으로 한 신축 패키지로 발전을 거듭하고 있다. 1-15)
	전자 패키지 기술이 미친 영향은 무엇인가?	최근 인공 센싱피부, 스킨패치형 센서, 생의학 전극, 스마트 의류, 전자 눈(electronic eyes), 벤딩 엑츄에이터, 스마트 헬스케어용 웨어러블 기기 등과 같이 다양한 용도 에 응용하기 위해 유연성과 함께 신축성을 지닌 신축성 전자소자에 대한 요구가 급격히 증대하고 있다. 1-15) 이와 같은 요구에 부응하기 위해 전자 패키지 기술이 딱딱하고 변형이 어려운 printed circuit board(PCB) 기반으로부터 어느정도의 굽힘이 가능한 flexible printed circuit board (FPCB)를 기반으로 한 유연 패키지를 거쳐 궁극적으로는 형상 자유도를 구현할 수 있도록 polydimethylsiloxane (PDMS)와 같은 탄성 고분자를 기반으로 한 신축 패키지로 발전을 거듭하고 있다. 1-15)

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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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