유연소자용 기판과의 접착 특성에 따른 구리 배선의 압축 피로 거동 및 신뢰성
Reliability of Cu Interconnect under Compressive Fatigue Deformation Varying Interfacial Adhesion Treatment
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초록
차세대 전자기기는 기계적인 굽힘이나 말림(rolling) 변형이 반복적으로 가능한 형태로 발전하고 있다. 이에 따라 전자기기 내부 소자들 간의 연결을 위한 금속 배선의 기계적인 신뢰성 확보가 필수적이며, 특히, 실제 사용 환경을 모사한 압축 환경에서의 굽힘 피로 변형에 대한 신뢰성 평가가 중요하다. 본 연구에서는 구리(Cu)와 폴리이미드(Polyimide, PI) 기판 간의 접착력을 향상시키고, 굽힘 피로 변형 환경에서 구리 배선의 신뢰성을 높이기 위한 방법을 탐구했다. 접착력 향상을 위해 폴리이미드 기판에 산소 플라즈마 처리와 크롬(Cr) 접착층 도입이라는 두 가지 방법을 적용하고, 이들이압축 상황에서의 피로 거동에 미치는 영향을 비교 분석했다. 연구 결과, 접착력 향상 방법에 따라 압축 피로 거동에서 차이가 발생하는 것을 확인했다. 특히, 크롬 접착층을 도입한 경우 1.5% 변형률에서는 크랙 생성이 주된 변형 메커니즘이며, 피로 특성이 취약한 결과를 얻었으나, 2.0%의 높은 변형률에서는 플라즈마 처리법에 비해 박리가 발생하지 않아 가장 개선된 피로 특성을 나타냈다. 본 연구의 결과는 유연 전자기기의 사용 환경에 적합한 피로 저항 개선법을 제시하고, 크랙 발생 정도를 포함한 전자기기의 신뢰성 향상에 중요한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.
Abstract
Electronic devices have been evolved to be mechanically flexible that can be endured repetitive deformation. This evolution emphasizes the importance of long-term reliability in metal wiring connecting electronic components, especially under bending fatigue in compressed environments. This study investigated methods to enhance adhesion between copper (Cu) and polyimide (PI) substrates, aiming to improve the reliability of copper wiring under such conditions. We applied oxygen plasma treatment and introduced a chromium (Cr) adhesion layer to the polyimide substrate. Our findings revealed that these adhesion enhancement methods significantly affect compression fatigue behavior. Notably, the chromium adhesion layer, while showing weaker fatigue characteristics at 1.5% strain, demonstrated superior performance at 2.0% strain with no delamination, outperforming other methods. These results offer valuable insights for improving the reliability of flexible electronic devices, including reducing crack occurrence and enhancing fatigue resistance in their typical usage environments.
참고문헌 (32)
- D. Corzo, "Flexible electronics : status, challenges and opportunities", Frontiers in Electronics, 1, pp.594003~ (2020)
- J. Chen, "Technology advances in flexible displays and substrates", IEEE Access, 1, pp.150~ (2013)
- 설재근, "유연 기판상 ITO 박막의 롤링변형에 따른 신뢰성 연구", 마이크로전자 및 패키징학회지, 25(1), pp.29~33 (2018), 한국마이크로전자및패키징학회
- 설재근, "유연 기판상 ITO 전극의 굽힘변형 및 굽힘피로에 따른 전기적 신뢰성 연구", 마이크로전자 및 패키징학회지, 24(4), pp.47~52 (2017), 한국마이크로전자및패키징학회
- 권용욱, "비틀림 변형 중 ITO 필름의 시편 형태에 따른 기계적 전기적 파괴 연구", 마이크로전자 및 패키징학회지, 24(4), pp.53~57 (2017), 한국마이크로전자및패키징학회
- 권용욱, "유연 전자 소자용 금속 전극의 고온", 고습 조건에서 기계적 피로 수명 연구, 2020, pp.27(2), 45~51[DOI]
- M. I. Bessonov, "Polyimide: Thermally Stable Polymer" (1987), Consultants Bureau
- W. L. Qu, "Studies of dielectric characteristics and surface energies of spin-coated polyimide films", J. Appl. Polym. Sci, 82, pp.1642~ (2001)
- M. K. Ghosh, "Polyimide: Synthesis, Characterization and Applications" (1984), Springer US
- J. A. Kreuz, "Polyimide Films", Adv. Mater, 10, pp.1229~ (1998)
- S. Kubota, "Preparation of positive photoreactive polyimides and their characterization", J. Appl. Polym. Sci, 33, pp.1763~ (1987)
- J. Jang, "A Study on the Adhesion Properties of BTDA-APAB Polyimide on Aluminum Surfaces", Polym. Korea, 21, pp.582~ (1997)
- 박유주, "이성분계 실란 커플링제의 가수분해속도 조절에 의한 2-FCCL의 접착특성 변화 연구", 폴리머, 35(4), pp.302~307 (2011), 한국고분자학회
- J. Yu, "Miscibility of polyimide with polymeric primer and its influence on adhesion of polyimide to the primed copper metal : Effect of precursor origin", J. Polym. Sci., Part B : Polym. Phys, 37, pp.2806~ (1999)
- Q. -H. Lu, "Polyimide surface modification by pulsed ultraviolet laser irradiation with low fluence", J. Appl. Polym. Sci, 82, pp.2739~ (2001)
- H. S. Patel, "Polyimides containing s-triazine ring", Eur. Polym. J, 37, pp.2263~ (2001)
- S. H. Kim, "Adhesion properties of Cu", Cr films on polyimide substrate treated by dielectric barrier discharge plasma, 2005, pp.193(1-3), 101~
- M. Strobel, "Plasma Surface Modification of Polymers: Relevance to Adhesion" (1994), VSP
- T. Miyamura, "The effects of Cr oxidation and polyimide degradation on interface adhesion strength in Cu", Cr, Mater. Sci. Eng. A, pp.2007[DOI]
- T. -W. Kim, "Bending strain and bending fatigue lifetime of flexible metal electrodes on polymer substrates", Materials, 12(15), pp.2490~ (2019)
- G. P. Zhang, "Length-scale-controlled fatigue mechanisms in thin copper films", Acta. Mater, 54(11), pp.3127~ (2006)
- D. Wang, "Effect of length scale on fatigue life and damage formation in thin Cu films", Mater. Sci. Eng. A, 493(1-2), pp.267~ (2008)
- G. P. Zhang, "Tensile and fatigue strength of ultrathin copper films", Mater. Sci. Eng. A, 387(15), pp.483~484 (2008)
- S. J. Bull, "Failure modes in scratch adhesion testing", Surf. Coat. Technol, 50(1), pp.25~ (1991)
- N. Panich, "Mechanical properties of TiB2-based nanostructured coatings", Surf. Coat. Technol, 198, pp.14~ (2005)
- 김정엽, "DIC 법을 이용한 구리박막의 인장시험", 대한기계학회논문집 A, 36(12), pp.1529~1534 (2012), 대한기계학회
- O. Kraft, "Fatigue in Thin Films : Lifetime and Damage Formation", Mater. Sci. Eng. A, 919, pp.319~321 (2001)
- B. -J. Kim, "Crack Nucleation during Mechanical Fatigue in Thin Metal Films on Flexible Substrates", Acta Mater, 61(9), pp.3473~ (2013)
- V. M. Marx, "Adhesion measurement of a buried Cr interlayer on polyimide", Phil. Mag, 95(16-18), pp.1982~ (2015)
- H. Jia, "Thin-film metallic glasses for substrate fatigue-property improvements", Thin Solid Films, 561, pp.2~ (2014)
- G. -D. Sim, "Effects of stretching and cycling on the fatigue behavior of polymersupported Ag thin films", Mater. Sci. Eng. A, 575, pp.86~ (2013)
- G. -D. Sim, "Fatigue of polymer-supported Ag thin films", Scr. Mater, 66, pp.915~ (2012)