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PDMS 기반 강성도 경사형 신축 전자패키지의 신축변형-저항 특성
Stretchable Deformation-Resistance Characteristics of the Stiffness-Gradient Stretchable Electronic Packages Based on PDMS 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.4, 2019년, pp.47 - 53  

박대웅 (홍익대학교 공과대학 신소재공학과) ,  오태성 (홍익대학교 공과대학 신소재공학과)

초록
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Polydimethylsiloxane (PDMS)를 베이스 기판으로 사용하고 이보다 강성도가 높은 polytetrafluoroethylene(PTFE)를 island 기판으로 사용한 soft PDMS/hard PDMS/PTFE 구조의 강성도 경사형 신축 패키지를 형성하고, 이의 신축변형에 따른 저항특성을 분석하였다. PDMS/PTFE 기판패드에 50 ㎛ 직경의 칩 범프들을 anisotropic conductive paste를 사용하여 실장한 플립칩 접속부는 96 mΩ의 평균 접속저항을 나타내었다. Soft PDMS/hard PDMS/PTFE 구조의 신축 패키지를 30% 변형률로 인장시 PTFE의 변형률이 1%로 억제되었으며, PTFE 기판에 형성한 회로저항의 중가는 1%로 무시할 정도였다. 0~30% 범위의 신축변형 싸이클을 2,500회 반복시 회로저항이 1.7% 증가하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Stiffness-gradient stretchable electronic packages of the soft PDMS/hard PDMS/PTFE structure were processed using the polydimethylsiloxane (PDMS) as the base substrate and the more stiff polytetrafluoroethylene (PTFE) as the island substrate, and their stretchable deformation-resistance characterist...

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문제 정의

  • 1) PTFE 기판의 신축변형시 전단응력에 의한 플립칩 접속부의 박리보다는 인장응력에 의한 Au 회로배선의 크랙킹이 심하게 발생하여 신축 패키지의 저항에 더 큰 영향을 미치게 된다. 또한 신축변형에 따른 패키지의 저항 변화를 플립칩 접속저항의 변화와 회로배선의 저항 변화로 분리하는 것이 어렵기 때문에, 본 연구에서는 신축변형에 따른 전기적 특성을 신축 패키지의 daisy chain 저항변화율을 사용하여 분석하였다.
  • 본 연구에서는 강성도가 0.6 GPa로24) FPCB의 1.85 GPa에 비해 훨씬 낮은 polytetrafluoroethylene (PTFE)를 islandbridge 구조의 island 기판으로 사용할 수 있는 가능성을 분석하기 위해, PTFE와 PDMS를 사용하여 강성도가 3단계로 점차적으로 높아지는 soft PDMS/hard PDMS/PTFE 구조의 경사기능형 신축 패키지를 형성하고 신축변형에 따른 저항특성을 분석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
신축 전자패키지의 용도에는 무엇이 있는가? 이에 따라 웨어러블 기기용 전자 패키지는 딱딱한 PCB 기판을 기반으로 한 패키지에서 굽힘이 가능한 flexible printed circuit board (FPCB) 기판을 기반으로 유연 패키지를 거쳐 궁극적으로는 유연성과 더불어 신축성을 지니고 있어 굽히고, 접고, 비틀고, 잡아당기고 누르는 동작과 함께 전기적으로 안정된 작동이 가능한 신축 전자패키지로 발전하고 있다. 1-15) 신축 전자패키지의 용도로는 스마트 헬스케어용 웨어러블 기기와 더불어, 인공 센싱피부, 스킨패치형 센서, 생의학 전극, 스마트 의류, 전자 눈 (electronic eyes)이나 벤딩 엑츄에이터와 같이 삼차원 굴곡 전자소자 등을 들 수 있다.4-16)
(PCB)를 기반으로 한 기존의 전자 패키지의 단점은 무엇인가? 1-3) 스마트 헬스 케어용 웨어러블 기기의 경우 항상 몸에 착용해야 하기 때문에 착용성이 기기 주요 성능 중의 하나로 강조되고 있다. 현재 전자제품에서 일반적으로 사용되는 printed circuit board (PCB)를 기반으로 한 기존의 전자 패키지는 인체와의 정합성이 크게 떨어지기 때문에 착용이 불편하여 웨어러블 기기에 적용하기가 어렵다는 문제점이 크게 대두되었다. 이에 따라 웨어러블 기기용 전자 패키지는 딱딱한 PCB 기판을 기반으로 한 패키지에서 굽힘이 가능한 flexible printed circuit board (FPCB) 기판을 기반으로 유연 패키지를 거쳐 궁극적으로는 유연성과 더불어 신축성을 지니고 있어 굽히고, 접고, 비틀고, 잡아당기고 누르는 동작과 함께 전기적으로 안정된 작동이 가능한 신축 전자패키지로 발전하고 있다.
island-bridge 구조의 신축 전자패키지는 어떠한 구조를 가지는가? 신축 전자패키지를 구현하기 위해서는 신축기판, 신축배선 및 신축성 반도체 기술이 요구되는데, 신축성을 갖는 유기물 반도체의 특성이 Si 반도체에 비해 매우 떨어져 이를 실제 신축 전자패키지 공정에 적용하는 것이 어렵기 때문에 이를 타개하기 위한 방안으로서 island-bridge 구조의 신축 전자패키지가 개발되고 있다. 4,5,17-23) Islandbridge 신축 전자패키지는 Si 반도체와 같이 신축성이 전혀 없는 기존 전자부품들을 강성도가 높고 신축성이 없는 island 기판에 실장한 후, island 기판들을 신축성 탄성 고분자 기판 내에 배열하고 이들 사이를 신축배선을 사용하여 서로 연결한 구조이다. 4,5,21,22) 이와 같은 islandbridge 구조의 신축 전자패키지에서 신축변형이 억제되는 island 기판으로는 신축성은 없으나 유연성을 지닌 FPCB가 주로 사용되며, 신축변형이 주로 발생하는 바다 역할을 하는 신축성 베이스 기판으로는 polydimethylsiloxane (PDMS)가 주로 사용되고 있다.
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참고문헌 (28)

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  22. D. Park, K. S. Han, and T. S. Oh, Comparison of "Flip-Chip Bonding Characteristics on Rigid, Flexible, and Stretchable Substrates: Part II. Flip-Chip Bonding on Compliant Substrates", Mater. Trans., 58(8), 1217 (2017). 

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  24. "Properties for Molded PTFE", Trebor International, September (2019) from https://www.treborintl.com/content/properties-molded-ptfe 

  25. J. Blumm, A. Kindermann, M. Meyer, and C. Strasser, "Characterization of PTFE using Advanced Thermal Analysis Techniques", Int. J. Thermophys., 31(10), 1919 (2010). 

  26. N. Zettsu, H. Itoh, and K. Yamamura, "Surface Functionalization of PTFE Sheet through Atmosphere Pressure Plasma Liquid Deposition Approach", Surf. Coat. Tech., 202, 5284 (2008). 

  27. J. Zhang, J. Li, and Y. Han, "Superhydrophobic PTFE Surfaces by Extension", Macromol. Rapid Commun., 25, 1105 (2004). 

  28. D. Park, and T. S. Oh, "Stretchable Deformation-Resistance Characteristics of Metal Thin Films for Stretchable Interconnect Applications II. Characteristics Comparison for Au, Pt, and Cu Thin Films", J. Microelectron. Packag. Soc., 24(3), 19 (2017). 

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