[논문]칩-섬유 배선을 위한 본딩 기술

강민규; 김성동

doi:10.6117/kmeps.2020.27.4.001

[국내논문] 칩-섬유 배선을 위한 본딩 기술
Bonding Technologies for Chip to Textile Interconnection 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.4, 2020년, pp.1 - 10

강민규 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 김성동 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

초록
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웨어러블 소자를 구현하기 위한 칩-섬유 접합 기술을 중심으로 전자 섬유에 대한 기술 개발 동향을 소개한다. 전자 부품을 섬유에 접합하기 위해서는 먼저 전자 부품에 전원 공급 및 전기적 신호를 주고 받기 위한 회로를 섬유에 구성해야 하며, 회로의 해상도와 밀도에 따라 전도성 실을 이용하는 자수법 또는 전도성 페이스트 등을 이용한 프린트법을 통해 구현할 수 있다. 전자 부품과 섬유를 접합하기 위해서는 솔더링, ACF/NCA, 자수법, 크림핑 등의 방법을 이용하여 영구적으로 접합하거나 후크, 자석, 지퍼 등을 이용하여 탈부착이 가능하도록 접합하는 방법이 있으며, 접합 배선의 밀도 및 용도에 따라서 단독 또는 융합하여 사용한다. 접합 이후에는 방수 등 사용환경에서의 신뢰성을 확보하기 위해 encapsulation 작업을 수행해야 하며, 현재는 PDMS 등의 폴리머를 이용한 방법이 널리 쓰이고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reviews the recent development of electronic textile technology, mainly focusing on chip-textile bonding. Before the chip-textile bonding, a circuit on the textile should be prepared to supply the electrical power and signal to the chip mounted on the fabrics. Either embroidery with conductive yarn or screen-printing with the conductive paste can be applied to implement the circuit on the fabrics depending on the circuit density and resolution. Next, chip-textile bonding can be performed. There are two choices for chip-textile bonding: fixed connection methods such as soldering, ACF/NCA, embroidery, crimping, and secondly removable connection methods like a hook, magnet, zipper. Following the chip-textile bonding process, the chip on the textile is generally encapsulated using PDMS to ensure reliability like water-proof.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. The preparation process of CNT-cotton fabrics.³⁾
그림 Fig. 2. Structural features and classification of conductive yarns (a) metal conjugated type (b) metal-clad type (c) sheath-core type.⁴⁾
그림 Fig. 3. Schematic designs of cable electrochemical energy storage devices.⁷⁾
그림 Fig. 4. Example of embedding LED in fiber.⁸⁾
그림 Fig. 5. Circuit wiring example using the printing method.⁹⁾
$Fig. 6. Flexible circuit wiring based on fractal-inspired layouts.<sup>10)</sup>$ 그림 Fig. 6. Flexible circuit wiring based on fractal-inspired layouts.¹⁰⁾
그림 Fig. 7. Surface mounting technology using solder paste.¹⁶⁾
표 Table 1.Classification of bonding technology between electronics and textile
그림 Fig. 8. Soldering on various substrate conditions (a) soldering directly on conductive textile (b) soldering on screen printed PEDOT:PSS layer (c) solder separated from silver paste layer after bending test.
그림 Fig. 9. Examples of how to improve the reliability of solder.¹⁷⁾
그림 Fig. 10. Schematic diagram of ultrasonic bonding method using ACF.¹⁸⁾
그림 Fig. 11. Flip chip bonding process with NCA.¹⁹⁾
그림 Fig. 12. Example of embroidery bonding.²⁰⁾
그림 Fig. 13. Examples of embroidery using conductive wire with different deniers. 1122D for Liberator and 200D for Agsis.
그림 Fig. 14. Tensile test for embroidery bonding reliability.
그림 Fig. 15. (a) encapsulated crimp flat package (CFP) (b) crimped CFP to a polyester fabric with integrated copper wires.²¹⁾
그림 Fig. 16. Snap fasteners crimped through embroidered conductive thread on leather and soldered counterpart on the back of a display module made of FR4.²²⁾
그림 Fig. 17. Encapsulating the electronics in PDMS by liquid injection molding.²³⁾
그림 Fig. 18. Examples of removable connection (a) Hook and Loop,²⁴⁾ (b) Magnetic,²⁵⁾ (c) Zipper.²⁶⁾
표 Table 2. Classification of mechanical and endurance test methodologies for e-textile³¹⁾

AI 본문요약
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문제 정의

본 리뷰논문에서는 칩-섬유 접합 기술을 중심으로 전자 부품을 섬유 위에 실장하기 위해 필요한 관련 기술의 개발 동향을 살펴보았다. 현재 칩-섬유 접합에 대한 많은 연구가 진행 중이지만 아직 상용화에 이를 정도의 칩-섬유 접합 기술은 개발되지 않은 상태이다.
전자 섬유 기술은 크게 전기전도성 소재(섬유, 원단, 원사)를 만들기 위한 기술, 전자장치를 직물에 내장 또는 실장, 연결(bonding)하는 기술, 직물 자체를 전자장치나 시스템으로 만드는 기술, 웨어러블 디바이스에 적합한 센서 및 배터리 등의 전자부품을 만드는 기술 등으로 나눌 수 있으며 본 논문에서는 착용성, 유연성, 내구성, 조립 작업성을 확보하는 핵심 요소인 실장, 연결 기술에 대해 살펴보고자 한다. 특히, 실리콘 기반의 소자 또는 유연 전자 소자를 섬유와 기계적, 전기적으로 연결하는 본딩 기술을 소개한다.
특히, 실리콘 기반의 소자 또는 유연 전자 소자를 섬유와 기계적, 전기적으로 연결하는 본딩 기술을 소개한다.

성능/효과

15에 나타낸 것과 같이 CFP(Crimp Flat Package)로 칩을 특수 제작하여 섬유에 크림프를 이용해 본딩하는 방식이 연구되고 있다.²¹⁾ 크림핑은 신뢰성이 좋고, 비용이 적다는 장점을 가지고 있다. 하지만 크림핑 본딩 부위에 굽힘 피로가 발생하여 전도성 천이 금방 뜯기거나 찢어지기 쉬워 굽힘 각도의 범위가 상대적으로 작다는 단점이 있다.
8(a)에 나타낸 것과 같이 솔더가 직접 전도성 섬유와본딩이 일어나기 보다는 플럭스가 솔더와 전도성 섬유를 잡아주는 역할을 하나 그 접착력이 약해 쉽게 떨어지게 된다. 솔더의 접착력을 향상시키기 위해 섬유 기판의 프린트 재료로 주목받는 PEDOT:PSS를 전도성 섬유 위에 프린트 한 후 솔더링 한 결과, 솔더와 PEDOT:PSS 사이의 접착력이 약해 솔더가 쉽게 떨어지는 경향이 관찰되었다. 실버 페이스트를 프린트 재료로 한 경우 앞의 두 경우보다 좋은 솔더링 결과를 나타내었으나, 굽힘 시험을 통해 신뢰성을 확인했을 때 Fig.
솔더의 접착력을 향상시키기 위해 섬유 기판의 프린트 재료로 주목받는 PEDOT:PSS를 전도성 섬유 위에 프린트 한 후 솔더링 한 결과, 솔더와 PEDOT:PSS 사이의 접착력이 약해 솔더가 쉽게 떨어지는 경향이 관찰되었다. 실버 페이스트를 프린트 재료로 한 경우 앞의 두 경우보다 좋은 솔더링 결과를 나타내었으나, 굽힘 시험을 통해 신뢰성을 확인했을 때 Fig. 8(c)에 나타난 것과 같이 실버 페이스트와 전도성 섬유사이에서 박리가 일어나는 것이 관찰되었다.

후속연구

현재 칩-섬유 접합에 대한 많은 연구가 진행 중이지만 아직 상용화에 이를 정도의 칩-섬유 접합 기술은 개발되지 않은 상태이다. 단, 향후 웨어러블 시장을 겨냥하여 관련 기술의 개발 뿐만 아니라 표준화를 선점하려는 노력이 계속되고 있어 이에 대한 관심을 계속 가져야 할 것이다.
향후 기존 섬유 산업에 널리 쓰이는 hook and loop, snap 등의 접합 기술을 전기적인 신호 및 에너지를 전달하는 수단으로 활용하면서도 기존의 반도체 패키지처럼 높은 배선 밀도를 가지도록 설계하는 기술개발이 필요하며, 동시에 soldering, adhesive 등 반도체 공정에서 쓰이던 기술을 섬유의 손상없이 전자 섬유에 잘 조화시킬 수 있는 기술개발이 필요할 것으로 보인다.

참고문헌 (31)

S. K. Park and W. K. Kim, "Electronics and Smart Textiles", Polymer Science and Technology, 24(1), 38 (2013).
W. Zeng, L. Shu, Q. Li, S. Chen, F. Wang, and X. M. Tao, "Fiber-Based Wearable Electronics: A Review of Materials, Fabrication, Devices, and Applications", Adv. Mater., 26, 5310 (2014).

상세보기
M. Yang, J. Pan, A. Xu, L. Luo, D. Cheng, G. Cai, J. Wang, B, Tang, and X. Wang, "Conductive Cotton Fabrics for Motion Sensing and Heating Applications", Polymers, 10, 568 (2018).

상세보기
H. J. Kim, "Commercialization of Conductive Yarn and Fabrics", Fiber Technology and Industry, 22(3), 210 (2018).
J. Lee, H. Kwon, J. Seo, S. Shin, J. H. Koo, C. Pang, S. Son, J. H. Kim, Y. H. Jang, D. E. Kim, and T. Lee, "Conductive Fiber-Based Ultrasensitive Textile Pressure Sensor for Wearable Electronics", Adv. Mater., 27, 2433 (2015).

상세보기
S. S. Yoon, K. E. Lee, H. J. Cha, D. G. Seong, M. K. Um, J. H. Byun, Y. Oh, J. H. Oh, W. Lee, and J. U. Lee, "Highly Conductive Graphene/Ag Hybrid Fibers for Flexible Fiber-Type Transistors", Sci. Rep., 5, 16366 (2015).

상세보기
A. Sumboja, J. Liu, W. G. Zheng, Y. Zong, H. Zhang, and Z. Liu, "Electrochemical energy storage devices for wearable technology: a rationale for materials selection and cell design", Chem. Soc. Rev., 47, 5919 (2018).

상세보기
D. A. Hardy, I. Anastasopoulos, M.-N. Nashed, C. Oliveira, T. Hughes-Riley, A. Komolafe, J. Tudor, R. Torah, S. Beeby, and T. Dias, "Automated insertion of package dies onto wire and into a textile yarn sheath", Microsystem Technologies, 1 (2019).
J. Liang, K. Tong, and Q. Pei, "A Water-Based Silver-Nanowire Screen-Print Ink for the Fabrication of Stretchable Conductors and Wearable Thin-Film Transistors", Adv. Mater., 28, 5986 (2016).

상세보기
W. Wu, "Stretchable electronics: functional materials, fabrication strategies and applications", Science and Technology of Advanced Materials, 20(1), 187 (2019).

상세보기
M. Jablonski, F. Bossuyt, J. Vanfleteren, T. Vervust, and H. de Vries, "Reliability of a stretchable interconnect utilizing terminated, in-plane meandered copper conductor", Microelectronics Reliability, 53, 956 (2013).

상세보기
N. Matsuhisa, M. Kaltenbrunner, T. Yokota, H. Jinno, K. Kuribara, T. Sekitani, and T. Someya, "Printable elastic conductors with a high conductivity for electronic textile applications", Nat. Commun., 6, 7461 (2015).

상세보기
I. Kazani, C. Hertleer, A. Schwarz-Pfeiffer, and G. Guxho, "Electrical Conductive Textiles Obtained by Screen Printing", Fibres & Textiles in Eastern Europe, 20(1), 57 (2012).

상세보기
O. Ojuroye, R. Torah, and S. Beeby, "Modified PDMS packaging of sensory e-textile circuit microsystems for improved robustness with washing", Microsystem Technologies, 1 (2019).
S. Schneegass and O. Amft, "Smart Textiles", Springer (2017).
X. Lin, B.-C. Seet, and F. Joseph, "Fine-pitch surface component mounting on screen-printed fabric circuits", Electron. Lett., 52(16), 1032 (2016).

상세보기
M. E. Berglund, "Delocalizing Strain in an Interconnected Joint on a Textile Substrate", Proc. ACM International Joint Conference and 2018 International Symposium on Pervasive and Ubiquitous Computing and Wearable Computers, 571 (2018).
S.-Y. Jung, H. E. Hong, and K.-W. Paik, "A Study on the Curod Anisotropic Conductive Films (ACFs) for Flex-on-Fabric (FOF) Interconnections using an Ultrasonic Bonding Method", Proc. 66th Electronic Components and Technology Conference, 2245, IEEE (2016).
T. Linz, M. von Krshiwoblozki, H. Walter, and P. Foerster, "Contacting electronics to fabric circuits with nonconductive adhesive bonding", The Journal of The Textile Institute, 103(10), 1139 (2012).

상세보기
T. Linz, "Analysis of Failure Mechanisms of Machine Embroidered Electrical Contacts and Solutions for Improved Reliability", in Ph.D. Thesis, pp.188, Ghent University, Ghent, Belgium (2011).
E. P. Simon, C. Kallmayer, M. Schneider-Ramelow, and K. D. Lang, "Development of a Multi-Terminal Crimp Package for Smart Textile Integration", Proc. 4th Electronic System-Integration Technology Conference (ESTC), Amsterdam, Netherlands, 1, IEEE (2012).
T. Linz, C. Kallmayer, R. Aschenbrenner, and H. Reichl, "New interconnection technologies for the integration of electronics on textile substrates", Proc. International Scientific Conference on Intelligent Ambience and Well-Being, 19 (2005).
T. Vervust, G. Buyle, F. Bossuyt, and J. Vanfleteren, "Integration of stretchable and washable electronic modules for smart textile applications", Journal of The Textile Institute, 103(10), 1127 (2012).

상세보기
https://www.adafruit.com/product/1324
X. Righetti and D. Thalmann, "Proposition of a modular I2C-based wearable architecture", Proc. 15th Mediterranean Electrotechnical Conference (MELECON), Valletta, Malta, 802, IEEE (2010).
H. Ohno, F. Narui, and S. Hayashi, "Zipper-type electrical connector", Patent US5499927A (1996).
J.-Y. Choi, D.-W. Park, and T. S. Oh, "Variation of Elastic Stiffness of Polydimethylsiloxane (PDMS) Stretchable Substrates for Wearable Packaging Applications", J. Microelectron. Packag. Soc., 21(4), 125 (2014).

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H. G. Kim, H. K. Rho, A. Cha, M. J. Lee, and J.-S. Ha, "CNT-Ni-Fabric Flexible Substrate with High Mechanical and Electrical Properties for Next-generation Wearable Devices", J. Microelectron. Packag. Soc., 27(2), 39 (2020).

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J. Y. Park, "IEC Standardization trend of Smart Wearable Devices", The Magazine of the IEIE, 45(12), 16 (2018).
H. J. Koo and K. M. Lee, "Standardization Trend of E-textiles", The Magazine of the IEIE, 45(12), 37 (2018).
G. De Pasquale and A. Mura, "Accelerated lifetime tests on e-textiles: Design and Fabrication of Multifunctional Test Bench", Journal of Industrial Textiles, 47(8), 1925 (2018).

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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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