The interest of flexible electronics are getting increased rapidly due to high demands for flexible features of electronic devices allowing free deformation and bending for the comfort of human bodies. Among these trends, a highly-developed flexible electronic-packaging technology became necessary to produce electronic devices with stability under bending environment. Many studies on the technology has been performed, and chip-on-flex (COF) structure assembled with anisotropic conductive film (ACF) is being in many flexible applications for automotive, medical, military, and avionics. ACF technology is considered as a reliable interconnection method for the flexible applications due to its resilience against bending environments. However, COF structure experiences high stress concentration under the bending environment, and it results chip-crack within the package. To solve this problem, chip-in-flex (CIF) structure has been introduced to reduce the high stress-distribution on chip. CIF structure consists of vertically symmetric structure and has neutral axis of bending at the center of chip. By doing so, distribution of bending stress at chip can be minimized and highest bending performance could be achieved. However, the effects of silicon chip, interconnections materials types, and resin property of Anisotropic Conductive Film (ACF) on bending fatigue performance of CIF were not fully investigated. In this paper, in order to increase the bending property of the CIF, we studied the effects of silicon dicing and thickness, ACF mechanical property and conductive ball types on bending fatigue life span of CIF.
In order to minimize the mechanical damage of silicon chip from the wafer thinning and dicing process, plasma dicing process was introduced. Compared plasma dicing process along with silicon thickness from 30μm to 40μm with blade dicing process, the effects of silicon thickness and dicing methods on the bending property of the CIF was characterized and investigated. As results of that, Silicon chip diced by F-Base plasma showed higher chip strength and lower bending curvature than blade dicing due to its damage-free dicing process in the results of the chip bending test. However, in the CIF package structure, these improvement effects on the bending property didn’t showed no significant difference. FE simulation found that maximum stress in CIF did not locate at the diced surface of silicon and redistributed from chip edge to chip center area caused by the housing effects of polymer. Therefore mechanical damage along the chip surface could be negligible. The reduction of chip thickness from 40 μm to 30 μm showed the better bending property of the CIF. Furthermore, CIF package having 30 μm Silicon chip was successfully demonstrated to bend to 2.16mm radius without any electrical failure and mechanical damage of the chip.
In the effects of the ACF resin property on the bending property of CIF, ACF resin mechanical property and conductive ball types were optimized by using the sliding bending test. As the results of bending fatigue test of the CIF according to the resin mechanical property, the lowest modulus resin (0.54 GPa) can be easily deformed and result in interface delamination in the CIF. As increasing ACF resin modulus to 1.04 GPa, the interface delamination showed the tendency to suppress, but 1.3 GPa modulus of ACF resin created chip crack failure of CIF due to increased localized stress induced by the stress redistribution. The Optimization of the mechanical property ACF resin in CIF was found around 1 GPa. For conductive ball types of ACF, polymer ball showed no electrical and mechanical failure after 160K cycle bending test. The polymer ball was found to suppress the chip crack and delamination absorbing the mechanical bending stress in the CIF since polymer ball had the better resilience property and fatigue resistance than other conductive balls.
전자 제품의 기술 변화가 웨어러블 디바이스로 전개됨에 따라, 신체에 탈 부착이 되고 신체의 움직임 및 변화의 정확한 감지를 위하여 신체의 구조의 맞게 구 부러 질 수 있도록 플렉서블 전자제품의 기술의 중요성이 증가하고 있다. 이런 플럭서블 전자제품을 구현하기 위해서는 종래의 패키지의 구조 및 소재에서 자유롭게 휘는 패키지 구조, 소재, 인터컨넥션 방법이 요구되는데, 이를 만족하는 패키지 기술로서는 이방성 전도 필름을 이용한 Chip-in-Flex 패키지가 될 것으로 예상이 된다. 그러나 현재까지의 연구는 Chip-in-Flex의 시연에 있고 더 작게 구부림에 있어서 칩 파괴, 박리, 전기적 단락 등의 문제 사항이 있다. 따라서 본 연구에서는 이방성 전도 필름을 이용한 Chip-in-Flex 의 패키지를 휨을 잘 구현할수 있도록 칩과 이방성 전도 필름의 기계적 물성, 도전 볼 종류가 Chip-in-Flex의 휨 특성의 미치는 영향에 대하여 연구하였다.
실리콘 칩이 미치는 영향을 보고자 칩 분단시 발생하는 손상을 줄이기 위해서 블레이드 분단방법에서 플라즈마를 이용한 분단 방법을 적용하였고, 칩 두께가 미치는 영향을 평가하고자 30, 35, 40 μm로 평가 하였다. 평가 결과 칩의 휨 특성에서는 플라즈마 분단 방식이 우수한 휨 특성을 보였으나 Chip-in-Flex 패키지에 미치는 휨 효과는 미미하였다. 유한 요소 시뮬레이션 결과 이는 패키지 구조적으로 폴리머 봉지재의 응력 완화 효과로 패키지 내에서는 응력 집 중 위치가 칩 외곽에서 내부로 이동하여 칩 외곽의 특성이 향상되더라도 효과가 미미한 것으로 여겨진다. 칩 두께 감소 시 칩 강성의 감소로 Chip-in-Flex의 흼 특성이 향상되었으며, 휨 피로 평가에서 칩 파괴가 발생하는 시점이 지연되는 것을 확인할 수 있었다.
이방성 전도 필름의 기계적 물성이 Chip-in-Flex의 휨 특성에 미치는 효과 평가 결과, 낮은 탄성계수(0.54 GPa)를 갖는 에폭시에서는 전극 사이의 계면 박리가 발생하였으나, 중간 탄성계수(1.04 GPa)로 증가 시 전극과의 계면 박리가 개선되어 가장 우수한 흼 특성을 보였으며, 고 탄성계수(1.34 GPa)로 증가 시에는 감소된 에폭시 층의 응력이 국부적으로 칩의 응력을 증가시켜 칩 파괴가 발생하였다. 이는 이방성 전도성 필의 에폭시의 탄성계수가 증가 시 휨 변형이 감소 되지만, 국부적으로 칩의 응력을 증가시킨 것으로 여겨지며 이방성 전도 필름 에폭시의 중간 탄성계수 물성(1.04 GPa)이 가장 최적의 흼 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 도전 볼 타입으로 솔더 볼, 니클 볼, 폴리머 볼을 평가 하였으며, 이중 가장 우수한 휨 특성을 나타낸 것은 폴리머 볼임을 확인하였다. 160K 피로 사이클 후에서도 전기적, 기계적으로 가장 우수한 특성을 나타내었는데, 이는 폴리머 볼이 가장 유연한 특성을 가지고 있기 때문이다.
