진동-마찰 기반의 마이크로입자 정렬을 통한 4-INCH 스케일 신축성 비등방성 도전성 필름(S-ACF) 제조

1. 서론

반도체 패키징 기술은 고성능·고집적화된 전자소자의 요구에 따라 급속히 진화하고 있다. 리드프레임 [1] 구조에서 플립칩(FC-BGA, FC-CSP)[2, 3], 시스템-인-패키지(Sip-PoP) [4]를 거쳐, 최근에는 팬아웃 웨이퍼 레벨 패키징 (Fan-Out WLP)[5] 및 어드밴스드 패키징[6,7]까지 발전하고 있다. 이와 같은 변화는 패키지 면적의 증가와 회로 선폭의 미세화를 동시에 수반하며, 결과적으로 미세 피치 및 서브-10 µm 수준의 솔더볼 연결 기술[8,9]이 동시에 요구되고 있다. 이러한 패키징 플랫폼은 주로 금속, BT 레진, FR-4, 유리와 같은 경질·취성 기판을 사용하고 있다. 이런 단단한 기판은 본질적으로 외력 및 변형에 대한 대응이 부족하고 웨어러블·소프트 일렉트로닉스 등 신축성이 요구되는 응용 분야의 확장으로는 어렵다.

웨어러블 및 신축성 디바이스의 패키징 기술에 도전하기 위한 대안으로 신축성 기반의 비등방성 도전성 필름(stretchable anisotropic conductive film, S-ACF) [10,11]이 최근에 주목받고 있다. Fig. 1에서 S-ACF는 일반적으로 신축성 기판 위에 전도성 마이크론 입자를 일정한 간격과 균일한 패턴으로 정렬된 구조로 이루어진다. 해당 상부에는 연성 인쇄회로 혹은 반도체 칩이 접합되어, 전도성 입자 간의 수직 연결을 통해 전류가 한 방향으로만 흐르도록 설계되어 있다. 따라서 필름 전체가 늘어나거나 휘어지는 상황에서도 전도 경로가 안정적으로 유지되며 신호 간 간섭을 최소화할 수 있다. 이러한 구조적 특성 덕분에 S-ACF는 기계적 신축성과 전기적인 회로 역할을 동시에 구현할 수 있어, 고해상도 신호 라우팅이 요구되는 웨어러블 전자소자, 소프트 로보틱스, 바이오 인터페이스 등에서 유망한 인터커넥트/패키징 기술로 평가된다.

Fig. 1. Schematic illustration of the stretchable anisotropic conductive film (S-ACF) structure.

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S-ACF의 상용화를 위해서는 크게 대면적의 마이크로 패터닝 기술과 미세입자의 정렬 기술이 필수적으로 확보되어야 한다. 기존의 포토리소그래피[12] 혹은 몰드 전사 기반 공정[13]을 통한 패터닝 기술은 비용과 시간이 소요가 되고 수-인치 스케일로 커지는 면적에 패턴 간 형상 편차가 누적되어 균일도를 확보하기 어렵다. 또한 미세 입자들을 일정한 간격으로 조절 및 배치하는 것 역시 기술적인 난이도를 요구한다. 기존의 모세관력[14], 전기장[15] 혹은 수작업 핸들링[16]에 의존하는 입자 정렬 방식은 공정 속도가 느리고, 입자 응집이나 오염, 재현성 저하 등의 문제가 발생하여 확장성과 생산성이 제한된다. 결과적으로 S-ACF의 상용화를 위해선 대면적의 마이크로 패터닝 제조 방법과 고속 및 고정밀의 입자 정렬 기술이 동시에 달성될 수 있는 공정 기술이 필요하다.

본 연구에서는 저온에서의 접착이 가능하고 우수한 신축 특성을 지니는 열가소성 고분자인 SEBS-g-MA를 기반으로, 핫 엠보싱 마이크로 임프린팅 공정을 이용하여 대면적 스케일로 미세 패터닝 템플릿을 제작하였다. 나아가, 건식 상태의 입자에 기계적인 진동을 통해 마찰력 및 전단력을 인가함으로써, 수십 초 이내에 입자들이 미세 패턴 내에서 빠르고 균일하게 정렬되는 새로운 개념의 기계적 구동 기반의 S-ACF 제조 공정을 제안한다.

2. 연구방법

2.2. 핫 엠보싱(Hot Embossingfdff)을 통한 대면적 마이크로 임프린팅 제조 방법

대면적 마이크로 임프린팅을 구현하기 위해, 본 연구에서는 고온·고압 조건에서의 핫 엠보싱 공정을 도입하였다. 공정의 개략적인 절차는 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2(a)는 임프린팅을 위한 핫프레스 장비 (QM-900 MA, Qumasys)와 임프린팅 적층 구조를 보여준다. 하부에서 상부로 차례대로 내열 유리(glass substrate), 탄성 러버 패드(rubber pad, PDMS; curing agent:base=1:20 v/v), 테프론 필름, NOA61 몰드, SEBS-g-MA 필름, 테프론 필름, 상부 내열 유리 및 히팅 블록으로 구성된다. 러버 패드는 가압 시 전면에 균일한 압력이 인가되도록 하여, 미세 패턴 형성 과정에서 압력 편차를 최소화하는 역할을 수행한다.

임프린팅을 위한 공정 온도는 상부 히팅 블록을 통해 제어되며, Fig. 2(b)에 나타낸 것처럼 SEBS-g-MA 필름의 열에 의한 성형을 하기 위하여 유리전이온도(glass transition temperature, T_g) 이상으로 온도를 증가시켰다.

Fig. 2. Schematic illustration of the hot embossing process for fabricating large-area micropatterned SEBS-g-MA templates. The process involves (a) stacking of the heating block and mold assembly, (b) pre-heating near the glass transition temperature (T≈T_g), (c) applying uniform pressure to replicate the mold features, and (d) cooling and demolding to obtain the micropatterned surface. (e) Thermo-mechanical behavior of SEBS-g-MA measured by uniaxial tensile test for various temperatures (f) Photograph of the embossed SEBS-g-MA film over a 4-inch area. (g) Optical micrograph of the micro-patterened array with a pitch (p) of 40 μm, diameter (d) of 20 μm, and height (h) of 20 μm.

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여기서 SEBS-g-MA의 T_g를 실험적으로 관측하기 위하여 열-기계적 거동을 분석하였다. Fig. 2(e)는 해당 필름의 인장시험 결과이며 온도에 따라 그 결과를 나타낸다. 그 결과, 약 100 °C 부근에서 T_g 값이 관측되었고 해당 구간에서 인장응력이 급격한 감소와 함께 변형률이 급격하게 증가하면서 점성 유체와 유사한 거동을 보임을 확인하였다. 따라서, 히팅 블록의 온도는 이보다 충분히 큰 온도로 설정하였고 엠보싱 전 필름에 균일한 온도 분포를 형성하기 위해 약간의 접촉을 통하여 예열 단계를 수행하였다.

이후, Fig. 2(c)에 따르면 핫프레스 머신의 압력을 조절하여 약 8~8.5 MPa의 균일한 압력을 인가하고 약 3분간의 로딩 및 엠보싱 단계를 진행하였다. 이 과정을 통해 NOA 몰드의 미세 패턴의 형상(pitch p, diameter d, height, h)이 SEBS-g-MA 표면에 정밀하게 전사되었다. Fig. 2(d) 과정은 압착이 완료된 후 상온에서 냉각(cooling)하여 충분한 시간이 지나 재경화가 완료되면 탈형(demolding)을 진행한다. 이후 최종적으로 마이크로 패터닝이 형성된 템플릿을 얻었다.

Fig. 2(f)는 핫 엠보싱을 통해 제작된 4-inch급 대면적 SEBS-g-MA 패턴 템플릿의 실물 사진을 보여준다. 또한 Fig. 2(g)의 광학현미경 이미지를 통해 설계된 NOA 몰드의 피치(p≈40 µm), 직경(d≈20 µm), 높이(h≈20 µm)와 거의 동일한 형상으로 정밀하게 복제되었음을 확인하였다. 패턴의 균질도 역시 중심부뿐 아니라 가장자리 영역에서도 균일하게 형성되었다.

2.3 진동-마찰(Oscillated-Rubbing)을 이용한 입자 정렬 방법

S-ACF의 제작을 위해 마이크로 임프린팅된 미세 패턴의 홀에 폴리스타이렌 표면에 골드가 코팅된 마이크로입자(Au microparticles, Au-MPs, 직경≈20 μm,덕산하이메탈, PGH-S20)를 정밀하게 배치하기 위하여 진동-마찰 기반의 입자 정렬 공정을 진행하였다.

마찰을 가하기 전 Fig. 3(a)에서 Au-MPs를 표면 에너지가 낮은 PDMS 블록을 사용하여 균일하게 템플릿 위에 도포하였다. 이후 요철 형상의 엘라스토머 스탬프(VinlyPolySiloxane-32, Young’s modulus E≈0.9 MPa)를 통하여 입자가 분포된 템플릿에 수직 하중을 가한다. Fig. 3(b)에선 수직 압력이 가해진 상황에서 좌우 방향의 진동 운동을 부여하고 이때 발생하는 주기적인 전단력과 마찰력에 의해 건식 상태의 입자들이 미세 홀 내부로 자발적으로 이동하며 자가정렬(self-assembly)된다. 본 연구에선 약 60 s 내외의 시간 동안 배열이 완료되었으며, 이후 에어 블로잉 과정을 통해 남아 있는 Au-MPs를 제거하였다.

Fig. 3. (a) Schematic of the mechanical rubbing process showing the application of normal pressure using a flexible elastomeric stamp on randomly distributed Au-MPs placed over the SEBS-g-MA template. (b) Oscillatory rubbing induces particle movement through (c) rolling and sliding motions, allowing selective anchoring of particles within the wells.

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진동-마찰의 입자 정렬의 핵심은 바로 Optimal rubbing force(F_o)를 찾는 것이다. 여기서 F_o 는 진동-마찰 중 발생되는 스탬프와 입자 사이의 전단력을 의미한다. 진동-마찰에 의한 마찰 및 전단 작용은 응집되어 있던 입자의 응집 및 집합(반데르발스 결합, 전자기력 등)을 효과적으로 분산시키고, 특정 입자들을 미세 패터닝 홀 내부로 유도한다. 그러나 과도한 수직 압력, 빠른 속도 및 진동수로 인해 너무 과도한 F_o가 가해지면 이미 고정된 입자가 롤링(rolling)하여 홀 외부로 이탈 혹은 템플릿 표면에 박리 및 구김과 같은 손상을 유발할 수 있다. 반대로, F_o의 크기가 약할 경우 응집된 입자를 충분히 분리하지 못하거나 미끄러짐(sliding)을 유도하지 못한다. 이러한 조건 하에 입자의 정렬이 발생되는 최적 조건은 다음의 범위로 정의된다.

(1)

여기서 F_s는 슬라이딩을 개시하는 최소 마찰력, F_r 롤링이 시작되는 한계 마찰력을 의미한다. 해당 과정은 Fig. 3(c)에 시각적으로 설명되어 있다.

진동-마찰의 실험 셋업은 Fig. 4(a)와 같다. 스탬프는 정밀 제어가 가능한 z-축 스테이지(z-axis stage, science town)를 통해 z축 방향의 변위를 해상도 5 μm미만으로 미세하게 조절할 수 있다. z방향의 변위를 조절하면서 템플릿에 가하는 수직 압력에 변화를 주었다. 또한, 주기적인 진동 모션을 주기 위한 Oscillator (P01-37×120F/160×240-HP, LinMot)를 이용해 스탬프에 수평 방향으로의 주기 운동을 부여하였다. Fig. 4(b) 는 본 연구에서 사용된 진동의 운동 조건을 보여준다. 4인치 템플릿을 커버하기 위하여 범위는 약 0-100 mm로 설정하였다. 진동 중 스탬프의 속도는≈±0.11 m/s이고 템플릿 이송 간에는 속도를 최대한 일정하게 컨트롤하였다. 해당 진동 주기는 3.33s (≈3 Hz)였다.

Fig. 4. (a) Experimental setup for the mechanical rubbing process consisting of a z-stage, oscillator for horizontal motion, and an elastic stamp placed above the SEBS-g-MA template. (b) Time-dependent position and velocity profiles of the oscillation stage.

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3. 결과 및 고찰

본 연구에서는 핫 엠보싱 기반의 미세 패터닝 공정과 진동 기반 입자 정렬 기술을 결합하여 4-inch 크기의 대면적 S-ACF를 성공적으로 제작하였다.

Fig. 5(a)Fig. 5(b)는 진동-마찰 이전의 SEBS-g-MA 템플릿의 미세 패터닝의 초기 상태를 보여주며, 이들의 기하학적 형상은 Fig. 2(g)와 같다. 이후, Fig. 4(b)에서 제시된 진동 조건을 통하여 건식 입자 배열을 진행한 결과, Fig. 5(c)Fig. 5(d)에 나타난 바와 같이 Au-MPs들이 패터닝된 홀 내부로 균일하게 배열되었다. Fig. 5(e)는 배열된 상태에서 측면에 대한 OM image를 보여주는데, 사전에 정의한 패턴에 Au-MPs가 손상 없이 균일하게 배열되어 있음을 확인할 수 있다. 해당 결과는 패턴의 중심부뿐만 아니라 가장자리 영역에서도 균일한 입자 정렬이 유지되었으며, 이는 제안된 입자 배열 공정이 대면적 스케일에서도 높은 정렬 재현성과 공정 안정성을 확보함을 보여준다.

Fig. 5. OM images of the SEBS-g-MA template surface before and after the mechanical rubbing process. (a,b) Before rubbing. (c,d) After oscillatory rubbing, Au-MPs are uniformly arranged within the micron patterning across the entire 4-inch template. (e) OM images of side view.

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정밀하고 균일한 입자 배열 상태를 얻기 위한 필수 조건은 Eq. (1)에서 제시한 바와 같이, F_o의 조건을 찾는 것이다. 이를 정량적으로 규명하기 위하여 오실레이터(oscillator)에 내장된 로드셀을 이용해 진동-마찰 과정 중 엘라스토머 스탬프에 작용하는 힘을 실시간으로 측정하였다. 해당 결과는 Fig. 6(a)와 같다. Fig. 6(a)의 중앙 점선 곡선은 스탬프가 템플릿과 접촉하지 않은 상태에서 단순한 진자 운동을 할 때의 초기의 힘 F_i를 나타낸다. 반면, 실선 곡선은 템플릿과 접촉 후 마찰이 발생할 때의 실측 힘 F_o로서, 러빙 과정에서 실제로 발생하는 전단 작용을 반영한다. 여기서, 입자-템플릿 계면에 실질적으로 전달되는 유효 힘(F_eff)은 초기의 진동력을 제외한 순수 마찰 성분으로 정의되며, 이는 로 표현된다.

Fig. 6. (a) Time-dependent rubbing force during the oscillatory mechanical rubbing process, compared with the initial applied force. (b) The net impulse (∫|F_o−F_i|dt) accumulated over time, indicating continuous frictional energy transfer that drives particle movement and alignment within the patterned wells.

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또한, 해당 그래프에서 조건(R)과(S)는 각각 롤링(rolling)에 의한 입자 탈락이 시작되는 시점, 그리고 슬라이딩(sliding)에 의한 입자의 이송이 개시되는 시점을 의미한다. 각 조건은 수직 압력을 점진적으로 증가시키면서 정량적으로 규명하였다. 그러므로, 입자 정렬이 가장 효율적으로 이루어지는 구간은 조건(R) 보다 작으면서(S)보다 큰 영역인 에 해당한다. 여기서 시간에 대한 변수와 가해진 마찰력을 동시에 고려할 수 있는 물리량인 충격량(impulse, I)를 도입하였다.

Eq.(2)에서 t는 총 소요된 진동 시간이고 진동-마찰에 의하여 분포된 입자들에 가해지는 충경량을 의미한다. 이를 기반으로 S-ACF 제작에 필요한 최적의 러빙 조건을 충격량 기준으로 정의한 결과를 Fig. 6(b)에서 보여준다. 해당 그래프에서 Optimal rubbing region 은 충분한 슬라이딩이 발생하면서 동시에 롤링으로 인한 별도의 입자 탈락이나 템플릿 손상이 없는 최적의 구간을 의미하고 Au-MPs 입자들이 안정적으로 배열되는 조건을 제시한다.

4. 결론

본 연구에서는 진동-마찰 기반의 건식 입자 정렬 기술과 핫 엠보싱 패터닝 기술을 결합하여 4-inch 규모의 신축성 비등방성 도전성 필름을 제작하였다. 마이크로 임프린팅 기술은 열가소성의 신축성 템플릿에 미세 홀 패턴을 균일한 피치(40 µm) 간격과 홀 직경(20 µm) 및 깊이(20 µm)로 대면적 형성에 성공하였다. 또한, 형성된 템플릿 위에 진동-마찰력을 정밀하게 제어할 수 있는 시스템을 구축하여 금 마이크로 입자들이 수십 초 내로 균일하게 자가 정렬시키는 기술을 개발하였다. 더 나아가, 러빙 과정 중 계측된 힘-시간 데이터를 분석하여 최적의 입자 정렬에 필요한 러빙 힘을 슬라이딩과 롤링 사이의 균형 범위에서 찾았고, 시간적 마찰 에너지 전달을 표현하는 물리량인 충격량을 도입함으로써 최적의 러빙 진동 조건 구간을 규명하였다.

본 연구에서 제안된 S-ACF 공정은 별도의 화학적 또는 복잡한 액상 공정이나 후열처리 과정이 불필요한 완전 건식 방식으로 수-인치급 대면적에서도 빠르고 재현성 높은 입자 정렬을 구현할 수 있다. 또한 템플릿 제조 방식부터 입자 정렬까지 순수한 기계적인 메커니즘으로 작동되기 때문에 자동화 및 대량 생산의 기반기술로서 활용될 수 있다. 향후 신축성 패키징, 고밀도 인터커넥트, 연성 전자소자 등에서 적용 가능한 대면적 마이크로 구조 조립 기술로 확장될 수 있으며, 기계적 구동 기반 정렬 메커니즘의 새로운 설계 지침을 제공한다.