유연 기판-금속 박막 시스템의 계면 접착 특성에 따른 피로 신뢰성 평가

Reliability of Fatigue Deformation for Flexible Substrate-Metal Thin Film System Varying Interfacial Adhesion

유연 전자기기에서 반복 변형 시 Cu 배선의 계면 박리와 균열은 장기 신뢰성 확보의 주요 과제이다. 본 연구에서는 폴리이미드(polyimide, PI) 기판 상 Cu 박막의 두께별 최적 계면 처리 방법을 규명하기 위해 플라즈마 처리와 Cr 접착층의 효과를 체계적으로 분석하였다. 100–500 nm Cu 박막에 대해 나노스크래치와 반복 굽힘 시험을 수행한 결과, 박막 두께에 따라 계면 처리 효과가 현저히 달라짐을 확인하였다. 100 nm 박막에서는 플라즈마 처리가 5.56 ± 0.545 mN의 최고 접착력을 보였으나, 500 nm 박막에서는 Cr 접착층이 11.66 ± 0.949 mN로 가장 우수한성능을 나타냈다. 반복 굽힘 시험(1.5% 인장 변형률, 30,000 cycles)에서는 모든 시편이 전기저항 증가를 보였으나, 박막 두께에 따라 뚜렷한차이를 보였다. 얇은 박막에서는 플라즈마 처리가 균열 발생 억제와 전기적 안정성에서 가장 효과적이었으며, 두꺼운 박막에서는 Cr 접착층이 우수한 피로 저항성을 제공하였다. 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 관찰 결과, 균열 패턴은 박막 두께와 계면 처리방법에 따라 달랐으며, 동일 변형률 조건에서 두께 증가에 따라 균열 구동력(에너지 방출률, G)이 커져 플라즈마 개질로 상승한 계면 인성의상대 이득이 체감되며, Cr 접착층은 구속·경로 편향 효과로 두꺼운 박막에서도 전파 억제에 유리하였다. 본 연구 결과는 유연 전자기기의 박막 두께별 최적 계면 설계 지침을 제시하며, 신뢰성 향상을 위한 구조적 설계 전략의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Delamination and cracking at Cu/polyimide (PI) interfaces under repeated deformation are major challenges to long-term reliability in flexible electronics. To identify thickness-dependent optimal interfacial treatments for Cu films on PI, we systematically analyzed the effects of plasma surface modification and a Cr adhesion layer. Nano-scratch and cyclic bending tests were conducted on 100–500 nm Cu films, revealing a pronounced dependence of treatment efficacy on film thickness. At 100 nm, plasma treatment yielded the highest adhesion strength (5.56 ± 0.545 mN), whereas at 500 nm the Cr adhesion layer exhibited the best performance (11.66 ± 0.949 mN). Under cyclic bending (1.5% tensile strain, 30,000 cycles), all specimens showed increased electrical resistance, but clear thickness-dependent differences emerged: in thin films, plasma treatment was most effective for suppressing crack initiation and maintaining electrical stability, while in thick films the Cr layer provided superior fatigue resistance. Scanning electron microscope (SEM) observations confirmed that crack patterns varied with film thickness and interfacial treatment. Under a fixed applied strain, increasing thickness elevates the crack driving force (energy release rate, G), which diminishes the relative benefit of interfacial toughness gained by plasma modification; by contrast, the Cr layer induces constraint and crackpath deflection, favoring crack-propagation retardation in thicker films. These findings offer design guidelines for selecting thickness-specific interfacial treatments in flexible interconnects and provide a basis for structural strategies to enhance reliability.