리버스 오프셋 프린팅으로 제작된 은 배선의 전기적 신뢰성 연구

Abstract

웨어러블 디바이스는 현재 전자 제품 시장의 가장 큰 화두 중 하나이다. 웨어러블 제품들은 사람의 피부와 접촉하므로 기계적 유연성을 필요로 하는데 유연 기판 위 패턴 형성이 용이한 프린팅 기술이 적합하다. 여러 프린팅 기술 중 리버스 오프셋은 20 um 이하 폭, 1 um 이하 두께의 미세 패턴 형성이 가능한 기술로 최근에 가장 주목 받고 있다. 재료로는 일반적으로 은 나노입자 잉크를 사용하고 이를 유연 기판 위 프린팅 후 열처리 공정을 통해 잉크 내 유기물 제거 후 입자간 뭉침을 이용하여 배선을 제작하게 되는데, 이 공정 중 배선 내 기공이 생성되고 이는 일렉트로마이그레이션 같은 심각한 전기적 신뢰성 불량을 야기하는 결함으로 작용할 수 있으므로 본 논문에서는 이에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구에 사용된 sample은 폴리이미드(PI) 기판 위에 20 um x 1 mm x 0.5 um 크기의 도그본(Dog born) 모양의 은 배선을 리버스 오프셋(Reverse-offset)으로 프린팅하여 제작되었으며, 150℃ 기판 온도 위에서 103 ~ 106 A/cm2 전류 밀도를 인가 후 SEM, FIB를 이용하여 미세 구조 분석을 통해 불량 메커니즘을 규명하였다. 은 잉크와의 물질 비교를 위해 열 기상 증착기로 은 금속을 동일 모양의 배선 제작 후 일렉트로마이그레이션 실험 결과, 저항이 유지되다 특정 시간에서 급격히 증가하는 경향을 보였으나 리버스 오프셋으로 제작된 배선은 저항이 점진적으로 증가하는 Gradual 형태의 고유한 불량 형태를 나타내었고, 훨씬 빠른 시간에 불량이 발생하였다. 이를 SEM, FIB 분석으로 저항 변화 0, 5, 10, 20% 시 표면 및 단면 미세구조 확인 결과, current crowding과 local joule heating에 의해 배선 내 void가 생성되고 최종적으로는 fuse type의 단선이 발생하였다. 또한 DC와 AC 일렉트로마이그레이션 수명 비교를 통해 저 전류밀도와 고 전류밀도에서 서로 수명이 다름을 확인하였고, 이를 Electron wind force 효과로 해석하였다. 그리고 annealing 온도 별 미세구조 변화에 의한 일렉트로마이그레이션 수명과 비 저항 변화를 비교 분석하여 높은 일렉트로마이그레이션 신뢰성을 가지는 미세구조를 제시하였다.