[논문]강성도 경사형 신축 전자패키지의 탄성특성 및 반복변형 신뢰성

한기선; 오태성

doi:10.6117/kmeps.2019.26.4.055

[국내논문] 강성도 경사형 신축 전자패키지의 탄성특성 및 반복변형 신뢰성
Elastic Properties and Repeated Deformation Reliabilities of Stiffness-Gradient Stretchable Electronic Packages 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.4, 2019년, pp.55 - 62

한기선 (홍익대학교 공과대학 신소재공학과) , 오태성 (홍익대학교 공과대학 신소재공학과)

초록
AI-Helper

Polydimethylsiloxane (PDMS)를 베이스 기판으로 사용하고 이보다 강성도가 높은 flexible printed circuit board (FPCB)를 island 기판으로 사용한 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 구조의 강성도 경사형 신축패키지를 형성하고, 이의 탄성특성 및 인장 싸이클과 굽힘 싸이클에 따른 신뢰성을 분석하였다. Soft PDMS, hard PDMS, FPCB의 탄성계수가 각기 0.28 MPa, 1.74 MPa, 2.25 GPa일 때 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 신축패키지의 유효 탄성계수는 0.6 MPa로 분석되었다. 0~0.3 범위의 인장 싸이클을 15,000회 인가시 신축패키지의 저항변화률은 2.8~4.3% 이었으며, 굽힘반경 25 mm의 굽힘 싸이클을 15,000회 인가시 저항변화률은 0.9~1.5% 이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Stiffness-gradient stretchable electronic packages of the soft PDMS/hard PDMS/FPCB structure were processed using the polydimethylsiloxane (PDMS) as the base substrate and the more stiff flexible printed circuit board (FPCB) as the island substrate. The elastic characteristics of the stretchable packages were estimated and their long-term reliabilities on stretching cycles and bending cycles were characterized. With 0.28 MPa, 1.74 MPa, and 1.85 GPa as the elastic moduli of the soft PDMS, hard PDMS, and FPCB, respectively, the effective elastic modulus of the soft PDMS/hard PDMS/FPCB package was estimated as 0.6 MPa. The resistance of the stretchable packages varied for 2.8~4.3% with stretching cycles ranging at 0~0.3 strain up to 15,000 cycles and for 0.9~1.5% with 15,000 bending cycles at a bending radius of 25 mm.

Keyword

표/그림 (12)

그림 Fig. 2. Schematic illustration of the process flow for a stiffnessgradient stretchable package consisting of the 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 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. 1. (a) Optical image of a stiffness-gradient stretchable package with the soft PDMS/hard PDMS/FPCB structure and (b) its schematic illustration.
그림 Fig. 3. Optical image of the hard PDMS/FPCB substrate.
그림 Fig. 4. Fabrication process of a Si chip: (a) sputtering of Ti/Cu metallization and photoresist patterning, (b) Cu and Au electroplating, (c) photoresist patterning, and (d) Ti/Cu electrode formation.
그림 Fig. 5. Stress-strain curves of (a) the soft PDMS and the hard PDMS, which were formed with the base and the curing agent mixing ratio of 20 : 1 and 10 : 1, respectively, and (b) the FPCB.
그림 Fig. 6. Optical Images of the soft PDMS/hard PDMS/FPCB package stretched for a tensile strain of (a) 0, (b) 0.1, (c) 0.2, and (d) 0.3.
그림 Fig. 7. Tensile strains measured on the soft PDMS, hard PDMS, and FPCB of the stiffness-gradient package substrate as a function of the total strain of the package.
그림 Fig. 8. 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.
그림 Fig. 9. Daisy chain resistance variation of the stretchable packages, where a Si chip was flip-chip mounted by either ACA bonding or SnBi reflow bonding, as a function of the number of stretching cycles up to 15,000 cycles.
그림 Fig. 10. Optical images of the stretchable packages which were bended with the bending curvature radii of (a) 40 mm, (b) 30 mm, (c) 20 mm, and (d) 10 mm.
그림 Fig. 11. Daisy chain resistances of the stretchable packages, where a Si chip was flip-chip bonded by either ACA bonding or SnBi reflow bonding, as a function of the bending curvature radius.
그림 Fig. 12. Daisy chain resistance variation of the stretchable packages, where a Si chip was flip-chip bonded by either ACA bonding or SnBi reflow bonding, as a function of the bending cycles up to 15,000 cycles with a bending curvature radius of 25 mm.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

29) 본 연구에서는 강성도가 서로 다른 soft PDMS, hard PDMS와 FPCB로 구성된 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 구조의 강성도 경사형 신축기판에 Si 칩이 플립칩 본딩된 신축패키지에 대해 탄성특성을 분석하고 반복 신축변형과 반복 굽힘변형에 따른 신뢰성을 분석하였다.
(a)와 같이 Si 웨이퍼에 0.1 μm 두께의 Ti와 2 μm 두께의 Cu를 각기 접착층과 범프도금용 씨앗층으로 순차적으로 스퍼터링한 후, 범프도금용 포토레지 스트 패턴을 형성하였다.
신축패키지의 daisy chain 저항을 측정하여 플립칩 접속부의 평균 접속저항을 분석하였으며, 주사전자현미경과 광학현미경을 사용하여 플립칩 접속부의 단면미세구조를 관찰하였다. 각 인장변형률에서 신축패키지의 저항 변화를 측정하기 위해 길이 90 mm인 신축패키지 시편의각 끝단에서 10 mm 되는 부위를 미니 인장시험기에 장착하고 6 mm/min의 속도로 30% 변형률까지 인장하였다.
신축패키지의 daisy chain 저항을 측정하여 플립칩 접속부의 평균 접속저항을 분석하였으며, 주사전자현미경과 광학현미경을 사용하여 플립칩 접속부의 단면미세구조를 관찰하였다. 각 인장변형률에서 신축패키지의 저항 변화를 측정하기 위해 길이 90 mm인 신축패키지 시편의각 끝단에서 10 mm 되는 부위를 미니 인장시험기에 장착하고 6 mm/min의 속도로 30% 변형률까지 인장하였다. 신축패키지의 신축변형 신뢰성을 신속히 분석하기 위해 변형률 속도를 600 mm/min로 높여 0~0.
각 인장변형률에서 신축패키지의 저항 변화를 측정하기 위해 길이 90 mm인 신축패키지 시편의각 끝단에서 10 mm 되는 부위를 미니 인장시험기에 장착하고 6 mm/min의 속도로 30% 변형률까지 인장하였다. 신축패키지의 신축변형 신뢰성을 신속히 분석하기 위해 변형률 속도를 600 mm/min로 높여 0~0.3 범위의 변형 률로 신축변형 싸이클을 15,000회까지 반복하며 패키지의 저항변화를 측정하였다. 굽힘 테스트는 40 mm부터 10 mm까지 5 mm 간격으로 굽힘 곡률반경을 변화시키며 신축패키지의 저항을 측정하였다.
3 범위의 변형 률로 신축변형 싸이클을 15,000회까지 반복하며 패키지의 저항변화를 측정하였다. 굽힘 테스트는 40 mm부터 10 mm까지 5 mm 간격으로 굽힘 곡률반경을 변화시키며 신축패키지의 저항을 측정하였다. 반복굽힘 신뢰성을 분석 하기 위해 sample life tester를 사용하여 사람 손목의 곡률반경 30 mm ³⁰⁾ 보다 작은 25 mm의 곡률반경으로 굽힘시험을 분당 190회의 속도로 15,000회까지 반복하면서 패키지의 저항변화를 측정하였다.
굽힘 테스트는 40 mm부터 10 mm까지 5 mm 간격으로 굽힘 곡률반경을 변화시키며 신축패키지의 저항을 측정하였다. 반복굽힘 신뢰성을 분석 하기 위해 sample life tester를 사용하여 사람 손목의 곡률반경 30 mm ³⁰⁾ 보다 작은 25 mm의 곡률반경으로 굽힘시험을 분당 190회의 속도로 15,000회까지 반복하면서 패키지의 저항변화를 측정하였다.
본 연구에서는 island-bridge 구조의 신축패키지로서 강성도가 서로 다른 soft PDMS, hard PDMS와 FPCB를 사용하여 강성도 경사형 신축패키지를 형성하고 유효 탄성 계수를 분석하였으며, 신축 싸이클과 굽힘 싸이클에 따른 장시간 신뢰성을 분석하였다. Soft PDMS, hard PDMS, FPCB의 탄성계수가 각기 0.

대상 데이터

3,4,26,28) 본 연구에서 사용한 FPCB의 총두께는 78 μm로 45 μm 두께의 폴리이미드, 18 μm 두께의 Cu daisy-chain 패턴과 15 μm 두께의 포토 솔더레지스트로 이루어져 있다.
두께 1 μm인 hard PDMS/FPCB 기판을 40 mm×18 mm 크기로 다이 싱하여 Fig. 3과 같은 hard PDMS/FPCB 신축기판을 제작하였다.
는중앙 III 부위에서 soft PDMS ④, hard PDMS ⑤, FPCB ⑥ 의 부피분율이다. E_soft = 0.28 MPa, E_hard = 1.74 MPa, E_island = 177.1 MPa, V_soft = 0.4, E_hard = 0.33, V_island = 0.27을 대입하여 중앙 III 부위의 유효 탄성계수 E_III = 48.5 MPa을 구하였다. 중간 II 부위는 soft PDMS ②와 hard PDMS ③이등변형률 조건을 이루므로 유효 탄성계수 E_II 는 식 (3)과같이 된다.
7의 결과와 잘 일치하였다. 본 실험에서 사용한 신축패키지의 변형된 구조로서 Island ⑥이 FPCB, hard PDMS와 soft PDMS로 구성되어 있으며 hard PDMS ③과 ⑤ 부위가 hard PDMS와 soft PDMS로 구성되고 나머지 부위는 soft PDMS로 구성된 신축패키지에서도 각 부위 에서 실제 측정한 변형률과 위와 같은 방법을 사용하여예측한 변형률이 잘 일치한다고 보고되었다. ²⁸⁾

성능/효과

74 MPa의탄성계수를 나타내었다. ^3,7) FPCB는 0~0.02 범위의 변형 률에서는 응력이 변형률에 따라 직선적으로 증가하였으나, 그 이상의 변형률에서는 응력의 증가 정도가 감소하여 탄성변형에서 소성변형으로 변환되는 것이 관찰되었다. 응력-변형률 곡선이 직선적인 0~0.
02 범위의 변형 률에서는 응력이 변형률에 따라 직선적으로 증가하였으나, 그 이상의 변형률에서는 응력의 증가 정도가 감소하여 탄성변형에서 소성변형으로 변환되는 것이 관찰되었다. 응력-변형률 곡선이 직선적인 0~0.02 범위의 변형률 에서 FPCB의 탄성계수는 2.25 GPa로 계산되었다.
시편의 총 변형률이 각기 0.1, 0.2, 0.3일 때 soft PDMS의 변형률은 0.085, 0.167, 0.248인데 비해 hard PDMS의 변형률은 0.015, 0.033, 0.052 로 soft PDMS 변형률의 20% 정도만 인장되었으며, FPCB 는 육안으로는 구별이 안될 만큼 변형이 일어나지 않았다.
6 MPa을 구하였다. 신축기판의 유효 탄성계수가 soft PDMS의 탄성계수보다 2배 정도 증가하였다. 신축기판의 변형시 등응력 조건하에 있는 I 부위, II 부위, III 부위에서 발생하는 변형률은 각 부위의 탄성계수에 반비례하므로, I 부위, II 부위, III 부위에서 발생하는 변형률의 비는 1 : 0.
11에서 flat packages로 표시된 결과는 굽히지 않은 편평한 상태의 패키지에 대해측정한 저항값이다. ACA 플립칩 본딩한 패키지의 저항 변화률은 0.3%, SnBi 리플로우 플립칩 본딩한 패키지의 저항변화률은 1.3%로 모두 측정오차 범위로 판단되어, 곡률반경 40~10 mm 범위의 굽힘변형에 의한 신축패키지의 손상은 거의 발생하지 않는 것으로 판단된다. 굽힘변 형에 의해 패키지의 손상이 발생하는 경우 이는 회로배 선의 파단보다는 주로 취성을 갖는 Si 칩의 파괴 또는 플립칩 접속부의 파손에 기인할 것이기 때문에, Si 칩의 두께를 50 μm 정도로 얇게 가공하여 플립칩 본딩하면 굽힘 변형에 의한 손상을 효과적으로 방지할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 island-bridge 구조의 신축패키지로서 강성도가 서로 다른 soft PDMS, hard PDMS와 FPCB를 사용하여 강성도 경사형 신축패키지를 형성하고 유효 탄성 계수를 분석하였으며, 신축 싸이클과 굽힘 싸이클에 따른 장시간 신뢰성을 분석하였다. Soft PDMS, hard PDMS, FPCB의 탄성계수가 각기 0.28 MPa, 1.74 MPa, 2.25 GPa일 때 soft PDMS/hard PDMS/FPCB 신축패키지의 유효 탄성계수는 soft PDMS의 탄성계수의 2배 정도인 0.6 MPa 로 분석되었다. 신축패키지의 인장변형시 hard PDMS는 soft PDMS의 20% 정도만 변형되었으며, FPCB의 변형은 soft PDMS의 0.
6 MPa 로 분석되었다. 신축패키지의 인장변형시 hard PDMS는 soft PDMS의 20% 정도만 변형되었으며, FPCB의 변형은 soft PDMS의 0.6% 정도로 매우 작아 변형이 전혀 발생 하지 않는다고 할 수 있다. 인장변형률 0~0.
6% 정도로 매우 작아 변형이 전혀 발생 하지 않는다고 할 수 있다. 인장변형률 0~0.3 범위로 인장 싸이클을 15,000회까지 반복하며 측정한 신축패키지의 저항변화률은 ACA 플립칩 본딩한 패키지에서는 4.3%, SnBi 저온솔더의 리플로우 본딩한 패키지에서는 2.8%로 측정되었다. ACA 플립칩 본딩한 패키지에서 인장 싸이클 회수 증가에 따라 저항이 증가하지 않고 감소하는 거동으로부터 인장 싸이클에 따른 저항변화는 패키 지의 손상보다는 측정상의 문제점에 기인하는 것으로 판단되었다.
8%로 측정되었다. ACA 플립칩 본딩한 패키지에서 인장 싸이클 회수 증가에 따라 저항이 증가하지 않고 감소하는 거동으로부터 인장 싸이클에 따른 저항변화는 패키 지의 손상보다는 측정상의 문제점에 기인하는 것으로 판단되었다. ACA 플립칩 본딩한 패키지와 SnBi 저온솔더의 리플로우 본딩한 패키지를 15,000회까지 반복 굽힙시험시 저항변화률은 각기 0.
12에 나타내었다. ACA 플립칩 본딩한 패키지의 저항변화률은 0.9%, SnBi 리플로우 플립칩 본딩한 패키지의 저항변화률은 1.5%로 15,000회까지의 굽힘 싸이클에 의해서도 신축패키지가 거의 손상되지 않아 반복굽힘 신뢰성 역시 매우 우수한 것으로 판단된다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	island-bridge 구조의 신축 전자패키지란 무엇인가?	최근 실용가능한 신축패키지로서 Si 반도체와 같이 특성이 우수하나 딱딱하고 취성이 심하며 신축성이 없는 기존 전자부품들을 강성도가 높은 island 기판에 실장한 후, island 기판들을 신축성 탄성고분자 기판 내에 배열하고 이들 사이를 신축배선을 사용하여 연결하는 island-bridge 구조의 신축 전자패키지가 제안되었다. 4,5,21-28) Islandbridge 구조의 신축 전자패키지에서 신축변형이 발생하는 신축성 베이스 기판으로는 PDMS가 주로 사용되고 있으며, 신축변형이 억제되는 island 기판으로는 FPCB가 주로 사용되고 있다.
	신축패키지는 어디에 적용되는가?	최근 유연성과 함께 신축성이 요구되는 인공 센싱피부, 스킨패치형 센서, 생의학 전극, 스마트 의류, 전자 눈 (electronic eyes), 벤딩 엑츄에이터, 스마트 헬스케어용 웨어러블 기기 등에 적용하기 위해 신축 전자패키지에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 1-15) 신축 전자패키 지를 구성하기 위해서는 신축기판, 신축배선과 더불어 신축성 부품이 요구된다.
	신축 전자패키 지를 구성하기 위해 필요한 것은 무엇인가?	최근 유연성과 함께 신축성이 요구되는 인공 센싱피부, 스킨패치형 센서, 생의학 전극, 스마트 의류, 전자 눈 (electronic eyes), 벤딩 엑츄에이터, 스마트 헬스케어용 웨어러블 기기 등에 적용하기 위해 신축 전자패키지에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 1-15) 신축 전자패키 지를 구성하기 위해서는 신축기판, 신축배선과 더불어 신축성 부품이 요구된다. 5,6) 신축기판 재료로는 탄성 변형 력이 우수하며 인체에 무해하고 유전상수가 낮으며 유리 전이온도가 -125 oC로 낮아 저온에서도 유연성을 유지할수 있는 polydimethylsiloxane(PDMS)가 일반적으로 사용 되고 있다.

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