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[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
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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 아이콘AI-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 pac...

주제어

표/그림 (12)

AI 본문요약
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제안 방법

  • (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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

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.
  • 는중앙 III 부위에서 soft PDMS ④, hard PDMS ⑤, FPCB ⑥ 의 부피분율이다. Esoft = 0.28 MPa, Ehard = 1.74 MPa, Eisland = 177.1 MPa, Vsoft = 0.4, Ehard = 0.33, Visland = 0.27을 대입하여 중앙 III 부위의 유효 탄성계수 EIII = 48.5 MPa을 구하였다. 중간 II 부위는 soft PDMS ②와 hard PDMS ③이등변형률 조건을 이루므로 유효 탄성계수 EII 는 식 (3)과같이 된다.
  • 두께 1 μm인 hard PDMS/FPCB 기판을 40 mm×18 mm 크기로 다이 싱하여 Fig. 3과 같은 hard PDMS/FPCB 신축기판을 제작하였다.
  • 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)
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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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참고문헌 (34)

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