Thin films on polymer substrates have been used in the electronic packaging applications and employed as specimens for material tests to study the mechanical properties of thin films. Residual stress and mechanical properties of a thin film on a polymer substrate are considered in this research. Especially, initial residual stress reduction in the film is studied due to the mismatch strain distribution in the film and the substrate. Exact mismatch strains in the film and the substrate are obtained and the effect of mismatch strain distribution on the curvature-mismatch strain relationship is analyzed. F.E simulation is performed to see the stress and curvature distributions during temperature changes. Estimation of residual stress of film by mismatch strain in the film is suggested.
Tensile test machine was set up to investigate material properties and behaviors of a submicron copper film on a Kapton substrate. Alignment, gripping and the specimen geometry effect on the tensile test result are considered. Dependency of mechanical properties on the thickness is studied. Residual stresses are accounted fot the yield stress of the film. In addition, mechanical behaviors during elongation, such as, crack formation, saturation, buckling and delamination are observed using microscope and AFM.
폴리머 모재위의 박막은 전자 패키징 뿐 아니라 인장, 피로 시험과 같은 재료 시험의 시편에도 활용되고 있다. 본 연구에서는 폴리머 모재위의 박막의 잔류응력에 대한 해석과 기계적 물성치의 측정, 그리고 인장시의 기계적 거동에 대해 관찰해 보았다. 박막의 초기 잔류 응력은 박막과 모재의 변형률의 mismatch에 의해 생긴다. 이러한 초기 잔류응력으로 인해 박막과 모재는 변형을 하게 되며, 변형후의 곡률 측정을 통해 초기 잔류 응력을 예상하는 방법에 대해 많은 연구들이 수행되어 왔다. 기존 연구자들의 경우, 대부분 박막에만 mismatch 변형률이 존재한다고 가정하고 박막과 모재의 잔류응력과 변형에 대해 해석하였다. 그러나 모재의 강성이 낮거나 박막의 두께가 모재에 비해 무시할 수 없을 경우, 박막뿐 아니라 모재에도 mismatch 변형률이 존재하게 된다. 본 연구에서는 모재와 박막의 mismatch 변형률을 해석적으로 구해 보았으며, 박막과 모재의 mismatch 변형률을 모두 고려한 경우, 기존의 연구자들의 해석결과에 어떤 영향을 미치는지에 대해 분석해보았다. F.E 시뮬레이션을 통해, 온도 변화에 따른 폴리머 모재위의 박막의 응력과 곡률의 거동을 관찰해 보았으며, 변형 후 잔류응력의 예상식을 제안하였다. 또한 곡률 측정을 통해, 폴리머 모재위의 구리박막 인장시편의 잔류응력을 실제적으로 예상해 보았다.
폴리머 모재위에 있는 서브마이크론 두께의 구리 박막의 물성치 측정을 위해 인장시험기를 구성하고 검증해 보았다. 시편의 그립과 곡률을 가진 형상이 인장시험에 미치는 영향에 대해, F.E 시뮬레이션을 통해 알아보았다. 박막의 기계적 물성치(응력 변형률 곡선) 을 얻기 위해, 모재의 응력 변형률 곡선을 따로 구한 다음, 모재와 박막의 힘 변형률 곡선에서 모재가 받는 힘을 차감하였다. 인장시험을 통해 탄성계수와 항복강도에 대한 박막의 두께의 영향을 알아보았다. 탄성계수의 경우 두께 변화에 따른 영향이 적으나, 항복강도의 박막의 두께가 얇아질수록 증가함을 확인할 수 있었다. 탄성계수는 기존의 연구자들과 비슷한 값을 얻었고, 항복강도의 경우는 약간 높은 값을 보였다. 시편에 인장을 가하며, 박막의 표면을 현미경을 통해 관찰해 보았다. 변형률이 증가함에 따라 균열의 발생, 균열밀도의 포화와, 버클링등을 관찰할 수 있었다. Atomic force microscope(AFM)를 통해 버클링이 일어난 균열의 표면을 관찰해 보았다.
