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향기 미
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1 37 특집 : 차세대잉크프린팅재료및배선기술 금속잉크를사용하여인쇄된배선의신뢰성평가 Reliability Evaluation of Electronic Circuit Printed Using Metallic Ink Ja-Myeong Koo, Jong-Bum Lee, Sang-Su Ha, Jong-Woong Kim, Bo-In Noh, Jeong-Hoon Moon, Sung-Ho Won and Seung-Boo Jung 1. 서론 최근전자제품에대한가치및평가기준이변화하고있다. 소비자들의선택의기준에있어서제품의가격과성능뿐만아니라, 고장없이오랫동안사용할수있는제품, 즉신뢰성이높은제품에대한선호도가증가하고있다. 이러한제품개발을위해서는제품설계단계부터다양한신뢰성평가및피드백과정들을수행해야한다. 하지만과도한신뢰성평가는금전적인낭비를초래하며, 제품출시를지연시켜회사의경쟁력을약화시키는주요원인으로작용할수있다. 따라서합리적인신뢰성평가방법의고완및효율적인평가가이루어져야함은자명하다. 또한, 단순한신뢰성평가보다는실질적인환경에가까운복합시험평가에대한관심이증가하고있다. 한정된제품크기내에서다양한기능을수행할수있는멀티미디어기기및디지털컨버전스제품에대한관심과수요가증가하고있다 1). 이에따라고집적 복합화된논리소자및메모리기술개발이활발하게진행되고있으며, 회로선폭을줄이려는움직임역시활발하게진행되고있다 ( 그림 1) 2). 해마다회로선폭과선간거리는동일하게감소하고있으며, 2007 년에는연성회로기판 (FPCB: Flexible Printed Circuit Board) 과경성회로기판 (RPCB: Rigid PCB) 상에각각 80 μm와 100 μm의피치의회로까지구현가능하였다. JEIDA 로드맵과 Doray 사의로드맵에의하면, 주변실장형플립칩과 COG (Chip On Glass) 용플립칩의피치크기는 2010 년각각 20 μm와 10 μm로까지감소할전망이다 3). 현재까지유리, 실리콘, 폴리머또는세라믹기판상에미세한회로를정밀하게형성하는방법으로광리소그래피 (photo-lithography) 법을가장널리사용하여왔다 ( 그림 2). 금속잉크를사용하여배선을형성 Width/Space ( μm ) Year Line width of RPCB Line space of RPCB Line width of FPCB Line space of FPCB Fig. 1 Roadmap of width and space of FPCB and RPCB 1) Fig. 2 Schematic diagrams of ink-jet printing and sputtering methods for interconnection fabrication. 하는방법은종래기술대비제조공정이간단하고, 장비구입및제조비용을줄일수있으며, 자동화가용이하고, 설계의유동성이크며, 재료와조성의제약없이 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 139

2 38 원하는회로형성이가능하다는장점을가지고있다. 또한, 향후기판상에절연체와전도체등을직접인쇄하여, 각종소자나부품등을기판상에직접형성시키는 printed electronics 기술개발을위한디딤돌이될수있다. 하지만공정의재현성및생산수율이떨어지고, 잉크의점성이나표면장력으로인하여균일하고정밀한코팅이어렵고, 신뢰성이충분하게검증되지않아상용화에많은어려움이있다. 따라서금속잉크의상용화를가속시키기위해서는공정의신뢰성과적용된제품의신뢰성평가가선행되어야한다. 본고에서는인쇄된배선의신뢰성을평가하기위해고려해야할필수적인시험법과, 관련된시험결과를소개하고자한다. 2. 금속잉크인쇄방법 금속잉크를이용한회로인쇄법에관한연구는일본과미국을중심으로활발하게진행되고있으며, 관련특허역시다량출원된상태이다. 그중에서대표적인인쇄법들로는잉크젯인쇄법, 그라비어 (Gravure) 인쇄법그리고스크린인쇄법등이있으며, 인쇄법이나용도에따른적절한점도를갖는잉크의개발및선택이중요하다 4). 잉크젯법 : 고속인쇄가가능하고몰드가필요하지않기때문에회로의수정이매우용이하나, 정밀한노즐가공이어렵기때문에장비의가격이고가이고잉크내의금속입자의밀도가낮기때문에전기적특성이떨어질수있으며, 후박인쇄가난해한단점을가지고있다. 그라비어법 : 회로가음각으로형성된제판상의음각부분에잉크를채운후, 피인쇄체에직접전이시키는방식으로써, 고속인쇄가가능하고후막인쇄가용이하며잉크의용제제한이적으나, 몰드제조가어렵고고가이다. 스크린법 : 고농도의금속잉크의인쇄가가능하여후박인쇄가용이하나, 비교적잉크의효율성이떨어지고미세한인쇄에한계가있다. 3. 이온마이그레이션 5-7) 3.1 이론 전자기기의전극간에직류바이어스전압이인가되어있는상황에서, 두인접전극사이에는절연체, 진공또는대기에의해서양호한절연성이유지되어있다. 하지만절연체의수분흡수또는기판표면에오염 등에의해절연저항이저하됐을경우이온마이그레이션이발생할수있다. 이온마이그레이션현상은두인접전극사이의전위차에의해서, 양극에서이온화된금속이온들이음극으로이동하여수지상 (dendrite) 형태의필라멘트 (filament) 로환원석출하여성장하는현상이다. 이때, 기판표면또는주위에존재하는습기나수분은이온이이동할수있는통로역할을한다. 이러한현상은과거두전극사이의거리, 즉피치크기가충분히크고, 표면처리로써 HASL (Hot Air Solder Leveling) 처리가일반적으로사용되었을때에는큰이슈가되지않았다. 하지만최근전자제품의소형화및박형화됨에따라전극의피치크기가감소하고, 표면처리기술도무연화됨에따라이슈화되고있다. 3.2 평가방법이온마이그레이션특성평가방법은하기와같이, 직접전극에물방울을떨어뜨린가속환경또는고온 고습환경시험챕버내에서장기간평가하는방법이존재한다. 물방울시험 : 전극표면이절연이안된기판을위한 IPC 규격 (IPC-TM 650, ) 에서제안하는시험방법으로써, 시험속도가빠른장점이있다. 고온고습환경하에서의시험 : 물방울시험과비교하여긴시험시간을가지며, 높은인가전압을사용함으로써전압가속에따른마이그레이션민감성을평가한다 (IPC-TM 650, ). 3.3 영향인자이온마이그레이션현상에미치는주요영향인자는하기에기술하였다. 전압 : 두전극사이에인가된전압차이, 즉전위가클수록전극의이온화및이동이가속되어, 이온마이그레이션현상은가속된다. 전압에따른수명에관한식은일반적으로식 (1) 을따른다. (1) 여기서, n은경험적으로 0.4~2 범위이며, k v 는정수다. 경험적으로 n은보통 1 정도이며, 즉전압에비례해서수명은감소하게된다. 기판내층에서는 n은 2 부근을보여주며, 0.4 부근의값은 Ag에서관찰할수있 140 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 2, April, 2008

3 금속잉크를사용하여인쇄된배선의신뢰성평가 39 다. 장시간의시험중에는전극사이의절연성이달라짐에따라 n 값이변화할수있다. 습도 : 회로가노출된환경의습도가높을수록이온화및이온의이동이용이하게되어, 이온마이그레이션현상은가속된다. 습도에관한수명특성을연구한보고는많지않지만, 일반적으로습도에지수적으로수명은감소한다. 온도 : 주변의온도가높을수록이온들의활성도가증가하여, 이온마이그레이션현상은가속된다. 일반적으로 Arrhenius 식에의해서, 수명은온도가증가함에따라지수적으로감소하게된다. 기판재질및표면오염도 : 습도함유율이높고표면오염이심할수록전하캐리어 (carrier) 의움직임이용이해지고그양이증가하여, 이온마이그레이션현상은가속된다. 전극재료 : 그림 3과같이전극의표면처리방법에따라이온마이그레이션민감도는변화한다. 전극형상및피치크기 : 피치크기가좁아지고회로밀도가증가할수록이온마이그레이션현상은가속된다 실험방법그림 3은 Comb 패턴을사용한물방울시험중에표면처리및피치크기에따른이온마이그레이션민감성을측정한결과를보여준다. 시험방법은 IPC-TM 650, 규격을따랐다. 표 1은본연구에서사용한시편및시험방법을나타낸다. 증류수를회로에떨어뜨린상태에서전압을인가한후, 회로가단락될때까지의시간을측정하여평가하였다. 회로의단락여부는전류의측정과육안검사를동시에수행하며평가하였다. Time(sec) 2000 Cu ENIG Sn-37Pb 1500 Sn-3.0Ag-0.5Cu Immersion Ag 1000 Table 1 Experimental details for water drop test Substrate material FR-4 Pitch size (mm) 1, and 0.1 Substrate thickness (mm) 1.0 Electrode thickness ( μm ) 18 Over-lapped length of electrode (mm) Electrode material Cu Electrode number 40 (Comb pattern) Water purity 1st DI water Applied voltage (V) 6.5 Standard JIS-Z 실험결과전극사이에표면처리에관계없이전극이미세화됨에따라이온마이그레이션에취약하였다. 또한표면처리방법에따라서그민감성은확연하게변화하는것을알수있었다. 이온마이그레이션은하기와같은순서로민감하게발생하였다. ENIG (Electroless Ni/Immersion Au) < HASL (Sn-37Pb) < Cu Immersion Ag 현재, Ag는전기전도도가우수하고, 내산화성이비교적우수하며, 다른귀금속에비해서가격이비교적저렴한장점을가지고있기때문에, 인쇄용금속입자로서사용되는주요재료이다. 따라서별도의표면처리를하지않을경우, 인쇄된회로의경우이온마이그레이션에상당히취약할수있음을보여준다. 또한, 일부에서 Ag보다가격이저렴하면서, 우수한전기적특성및일렉트로마이그레이션 (electro migration) 특성을보여주는 Cu를사용하려는연구가진행되고있다. 하지만 Cu 역시이온마이그레이션특성이좋지못하기때문에이를보완하기위한추가적인합금처리또는표면처리기술개발이요구된다. 4. HAST 시험 8-11) Pattern distance(mm) Fig. 3 Effect of pitch size and surface finish on dendritic growth sensitivity during water drop test. The testing time is the duration when the circuit was electrically short 고온고습분위기하에서의신뢰성평가방법은가장많은변화를겪은신뢰성평가법중하나이다 ( 그림 4). 다양한고온 / 고습환경시험평가법중에서, 85 /85%RH 분위기하에서 1,000 시간동안평가하는방법 ( 시험규격 : JESD22- A101B) 이대중적으로이용되고있으나, 고장판정을위해서는장기간의시험시간이요구되는단점이있다. 이에따라시험시간을단 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 141

40 Table 2 Conditions of HAST. Temperature ( ) 130±2 110±2 Relative humidity (%RH) 85±5 85±5 Vapor pressure (kpa) 230 122 Duration (hrs) 96 (-0,+2) 264 (-0,+2) Fig.

4 40 Table 2 Conditions of HAST. Temperature ( ) 130±2 110±2 Relative humidity (%RH) 85±5 85±5 Vapor pressure (kpa) Duration (hrs) 96 (-0,+2) 264 (-0,+2) Fig. 4 Variation of high temperature/high humidity environmental test 11) 축시키기위해서 PCT (Pressure Cooker Test) 가제한되었다. PCT 는가혹한온도와습도환경하에서압력을가하여외장재내부또는외장재사이의계면으로의수분침투속도를가속화시켜, 금속패턴의내식성을평가하는신뢰성평가방법으로써, 오토클레이브 (autoclave) 챔버안에서하기와같은분위기하에서평가한다. 온도 : 121 습도 : 100 %RH ( 포화수증기압 ) 압력 : 2 atm 시간 - 96 hrs (-0, +5) (Condition C) hrs (-0, +5) (Condition D) hrs (-0, + 8) (Condition E) hrs (-0, + 8) (Condition F) - 주로 condition C를이용함. 하지만이는너무가혹하다고판단되어, 불포화수증기압상태에서시험이이루어지는 HAST (Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test) 가제한되었다. HAST 는유기재료를사용한프린트배선의평가에도받아들여지고있다. 그배경으로는시험시간이빨라제품화를위한신뢰성평가시간의단축이큰요인이다. 시험조건은표 2에나타내었다. PCT와 HAST 모두가혹한환경하에서평가가이 루어지기때문에하기와같이다양한주의사항이존재한다. 시험중에 swelling 현상이발생함에따라 FR-4, polyimide 와같은폴리머재질의기판은사용이제한된다. 즉, 전극의부식에의한고장에서기판의변형에의한고장으로, 고장의원인이변경될수있다. 단자사이의이온마이그레이션현상이발생할수있다. 즉, 성장한필라멘트가정확한고장분석을방해할수있으며, 고장시간을연장시킬수있다. 수분이흡수된상태에서는유리전이온도 (Tg) 온도가낮아짐에따라폴리머기판의경우높은압력, 온도, 수분조건에서수행되기때문에비정상적인파괴가발생할수있다. 5. 전기비저항평가전류가흐르는배선재료에있어서전기전도도특성은매우중요하다. 배선의저항은일반적인옴의법칙을이용하여평가하게된다. 전류변화에따른전압의변화를측정하거나전압변화에따른전류의변화를측정하여, 그기울기를통하여전기저항 (R) 을구할수있다. 전기비저항 ( ) 은식 (2) 를이용하여간단하게구할수있다. (2) 이때, l과 A는각각측정할배선의길이와단면적이다. 전기저항측정은매우간단하나, 예상되는배선의저항에따른적당한계측기의선택과노이즈제거기술이매우중요하다. 프로브의수에의해서 2 단자법과 4 단자법으로나뉘는데, 측정의정밀도를위해서일반적으로 4 단자법을사용할것을추천한다. 금속잉크를사용하여인쇄된배선의전기비저항값은금속입자의재료, 입자크기, 밀도와소결온도에크게영향을받는다. 표 3은금속입자의재료와소결온도를달리한스크린프린팅법을이용하여형성된금속배선의전기비저항값을보여준다. 142 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 2, April, 2008

금속잉크를사용하여인쇄된배선의신뢰성평가 41 입자의크기가작을경우, 소결온도가낮아지고충진률이증가하기때문에비저항값이감소한다. 소결온도가높을경우적용가능한재료와분야가제한되기때문에, 입자의크기를최소화한나노입자의개발이절실하게요구된다. 일반적으로, 잉크젯인쇄법의경우스크린인쇄법대비, 낮은밀도의금속입자를사용한다.

5 금속잉크를사용하여인쇄된배선의신뢰성평가 41 입자의크기가작을경우, 소결온도가낮아지고충진률이증가하기때문에비저항값이감소한다. 소결온도가높을경우적용가능한재료와분야가제한되기때문에, 입자의크기를최소화한나노입자의개발이절실하게요구된다. 일반적으로, 잉크젯인쇄법의경우스크린인쇄법대비, 낮은밀도의금속입자를사용한다. 보고에의하며, 소결후금속입자의밀도에따른전기비저항의차이는거의없다. 하지만, 배선의두께가얇아져서전기저항값이증가하거나, 필요에따라임계값이상의저항을갖는회로를형성하기위해서복수의프린팅이요구될수있다 ( 표 4). Table 3 Electrical resistivity of printed circuit 12) Material 6. RF 특성평가 최근전자회로의배선에대한전기적특성평가는주로직류저항특성에국한되어왔다. 하지만최근들어, 고성능화된하이엔드전자제품에대응하기위해서, 전송선로의고주파특성이매우중요한평가항목으로지목되고있다. 전자제품에사용되는주파수가상승함에따라다음과같은장점을얻을수있다. 주파수에비례해서전송속도가증가한다. 주파수가증가함에따라 bandwidth 가증가하기때문에전송량이증가한다. Electrical resistivity (μω cm) Au nano particle 11 Ag nano particle (Sintering at H.T.) 2 Ag nano particle (Sintering at L.T.) 10 Cu nano particle 2.2 Table 4 Comparisons of circuit thickness and electrical resistivity between ink-jet and srcreen printing methods after sintering 12) 주파수에비례해서안테나의이득이증가하기때문에안테나의크기를줄일수있다. 고주파를사용할경우, 안테나를포함하는시스템-인-패키지 (SiP: System in Package) 를제조할수있게된다. Skin effect 에의해서, 주파수가증가함에따라회로의두께를얇게할수있다. 하지만, 고주파를사용하는전자패키지에서는하기와같은기술적난제에봉착할수있다. 작은공간에서전송선을따라흐르는신호의주파수가증가함에따라크로스토크 (cross-talking), 공진, 반사와같은다양한노이즈와기생성분이발생할수있다. 고주파전송선을형성할때, 전송선표면의작은돌기, 기공이나부정합등이다양한형태의신호의노이즈로작용할수있다. 특히, 금속잉크를이용한회로형성시, 잉크의표면장력에의한비정상적인돌기의형성, 소결중에발생하는기공이나수축등은직류신호나저주파전달또는접지 (ground) 의역할을수행할때에는큰문제가되지않으나, 고주파전송중에임피던스나인턱터로작용하여다양한형태의기생성분을생성시켜제품의오동작의주요원인으로작용할수있다. 따라서금속잉크로고주파전송선로를인쇄하기위해서는필수적으로고주파전송특성을평가해야함은자명하다. 그림 5는고주파특성평가를위해서 CPW (Co- Planarity Waveguide) 구조로스크린인쇄법을사용하여제조된 Ag 회로의광학현미경사진이다. 7. 결론 본고에서는금속잉크를사용하여인쇄된배선의신뢰성평가방법으로써, 이온마이그레이션시험, HAST 시험, 직류저항측정및고주파전송특성측정에대해서소개하였다. 금속잉크를이용한인쇄방법은종래사용되었던광 Ink-jet Screen printing Metal content (%) 52~62 76~81 Circuit thickness ( μm ) ~ 5 ~ 7 Electrical resistivity (μω cm) 3 3 Fig. 5 Ag circuit fabricated using screen printing method 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 2 號, 2008 年 4 月 143

42 리소그래피방법대비제조공정이단순하고, 제조원가가낮으며, 고객의요구에대한대응이용이한장점을가지고있다. 하지만현재까지는여러기술적난제에봉착해있으며, 상용화까지는다소시간이필요할것으로판단된다.

전자패키징기술은요소와요소또는부품과부품을연결하는제품생산의최종단계에사용되는기술로써, 신뢰성이보장되지않을경우심각한제품의기능저하및불량률증가에따른경제적인손해를초래할수있다.

따라서이를보완할수있는추가적인연구가요구된다. 후 기 본논문은산업자원부차세대신기술개발사업 ( 과제번호 : 10030049) 으로지원된연구임.

Jung: Core technology of electronic packaging, Journal of KWS, 23-2 (2005), 116-123 (in Korean) 2.Japan Marketing Survey Co. Ltd.

한국산업기술지원센터 : 잉크젯및나노임프린팅기술 (2007.03) (in Korean) 5. B.I. Noh and S.B. Jung: J. Mater. Sci. Electron, In-Press 6. B.I. Noh, J.B. Lee and S.

JEDEC Starndard: JESD22-A101B 9. JEDEC Standard: JESD22-A102C 10. JEDEC Standard: JESD22-A110B 11.

Katsuaki Suganuma: Ink-Jet Wiring of Fine Pitch Circuits with Metallic Nano Particle Pastes, CMC Publisher (2006) (in Japanese)

edu 문정훈 ( 文貞勳 ) 1956년생 수원과학대학기계과교수 초음파접합, 검사기술 e-mail : jhmoon@ssc.ac.

6 42 리소그래피방법대비제조공정이단순하고, 제조원가가낮으며, 고객의요구에대한대응이용이한장점을가지고있다. 하지만현재까지는여러기술적난제에봉착해있으며, 상용화까지는다소시간이필요할것으로판단된다. 하지만본기술이가지는장점과향후요소기술이사용될응용분야를생각한다면, 포기할수없는분야임은분명하다. 전자패키징기술은요소와요소또는부품과부품을연결하는제품생산의최종단계에사용되는기술로써, 신뢰성이보장되지않을경우심각한제품의기능저하및불량률증가에따른경제적인손해를초래할수있다. 은이나구리잉크를미세패턴에적용할경우, 이온마이그레이션에상당히취약할것으로판단된다. 또한 HAST 시험시, 금속의산화, 내부기공의팽창에따른균열발생이야기될수있다. 마지막으로, 내부에존재하는기공이나잔류유기물등은전기적특성을저하시킬수있다. 따라서이를보완할수있는추가적인연구가요구된다. 후 기 본논문은산업자원부차세대신기술개발사업 ( 과제번호 : ) 으로지원된연구임. 구자명 ( 具滋銘 ) 1978 년생 전자패키징, 초음파접합, 신뢰성평가, 플립칩범핑 iam@mrkoo.com 참고문헌 1. J.W. Yoon, W.C. Moon and S.B. Jung: Core technology of electronic packaging, Journal of KWS, 23-2 (2005), (in Korean) 2.Japan Marketing Survey Co. Ltd.: PCB World Market Data (2006) (in Japanese) 3. J.M. Koo, J.W. Kim, J.W. Yoon, B.I. Noh, C.Y. Lee, J.H. Moon, C.D. Yoo and S.B. Jung: Ultrasonic Bonding Technology for Flip Chip Packaging, Journal of KWS, 26-1 (2008), (in Korean) 4. 한국산업기술지원센터 : 잉크젯및나노임프린팅기술 ( ) (in Korean) 5. B.I. Noh and S.B. Jung: J. Mater. Sci. Electron, In-Press 6. B.I. Noh, J.B. Lee and S.B. Jung: Microelectron. Reliab., 48 (2008) W.S. Hong, S.B. Jung and K.B. Kim: Analysis Method of Metallic Ion Migration, Journal of KWS, 23-2 (2005), (in Korean) 8. JEDEC Starndard: JESD22-A101B 9. JEDEC Standard: JESD22-A102C 10. JEDEC Standard: JESD22-A110B 11. 박정원, 천성일 : 국내외신뢰성기술및산업동향, 전자정보센터 ( ( ) (in Korean) 12. Katsuaki Suganuma: Ink-Jet Wiring of Fine Pitch Circuits with Metallic Nano Particle Pastes, CMC Publisher (2006) (in Japanese) 노보인 ( 盧寶仁 ) 1976 년생 전자패키징, 패키지신뢰성 nohbi@skku.edu 이종범 1980년생 성균관대학교신소재공학부 초음파접합, 신뢰성평가 tigers77@skku.edu 문정훈 ( 文貞勳 ) 1956년생 수원과학대학기계과교수 초음파접합, 검사기술 jhmoon@ssc.ac.kr 하상수 1978년생 성균관대학교신소재공학부 플립칩범핑, 일렉트로마이그레이션 abba888@skku.edu 김종웅 ( 金鍾雄 ) 1978 년생 전자패키징, RF 패키징 wyjd@skku.edu 원성호 ( 元省皓 ) 1961년생 동양공업전문대학응용화학과 환경친화형전자패키징고분자소재 jireh@dongyang.ac.kr 정승부 ( 鄭承富 ) 1959 년생 전자패키징, 패키지신뢰성, 마찰교반접합 sbjung@skku.ac.kr 144 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 2, April, 2008

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DBPIA-NURIMEDIA 37 특집 : 최신전자패키징기술 - 공정및평가 Optoelectronic 패키징을위한 Au-Sn 플립칩범핑기술과신뢰성 Au-Sn Flip-chip Bumping Technology and Reliability for Optoelectronic Packaging Jeong-Won Yoon, Jong-Woong Kim, Ja-Myeong Koo, Bo-In Noh