Fatigue Crack Regulation in Flexible Interconnects through Rate-Dependent Dislocation Behavior Analysis and Substrate Engineering = 속도 의존적 전위 거동 분석 및 기판 엔지니어링을 통한 유연 배선의 피로 균열 제어에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

4차 산업혁명이 도래함에 따라 방대한 양의 데이터가 생성되고 있으며, 이를 처리하기 위한 전자기기 또한 사물에 더 가까워지는 유연한 폼팩터(Flexible Form Factor)로 발전하고 있다. 디스플레이, 배터리, 소프트 로봇 등을 포함하는 유연 전자기기(Flexible electronics)는 향상된 휴대성(portability)과 활용성(versatility)을 바탕으로 차세대 전자기기의 선두주자로 자리매김하고 있다. 이러한 flexible device 들은 사물의 거동을 견뎌야하기 때문에, 굽힘(bending)이나 접힘(stretching)과 같은 반복적인 기계적 변형(cyclic mechanical impacts)에 필연적으로 노출된다. 이러한 유연 시스템에서 금속 배선 (metal interconnects)는 서로 다른 소자들을 연결하는 핵심적인 역할을 수행한다. 유연 전자기기 시스템은 일반적으로 변형이 없는 견고한(rigid) 소자부와 이들을 연결하는 유연한(flexible) 배선부로 구성되는데, 세라믹 등과 비교하여 변형성이 높은(deformable) 금속 배선부에 기계적 변형이 집중적으로 발생하게 된다(Strain Concentration). 결과적으로, 이 금속 박막 배선에서 발생하는 피로 파괴(Fatigue Cracking)는 낮은 변형 범위(low strain ranges)에서의 반복 변형으로 인해 발생하는 일반적인 실패 모드이다. 피로 균열은 전기적 경로를 차단하여 시스템 전체의 고장을 유발하는 가장 지배적인 실패 메커니즘으로 작용하며, 따라서 유연 전자 시스템의 효과적인 구동과 장기 신뢰성 확보를 위해서는 금속 배선의 기계적 신뢰성을 보장하는 것이 매우 중요하다. 기존의 피로 파괴 연구는 대부분 벌크(bulk) 재료에 초점을 맞추어 왔으나, 유연 배선에 사용되는 박막(thin film)은 그 낮은 차원성(Low Dimensionality) (또는 크기 효과)으로 인해 벌크 재료와는 근본적으로 다른 기계적 특성을 보인다. 구체적으로, 박막의 제한된 기하학적 구조(Confined Geometry) 즉, 전위(dislocation)의 움직임이 결정립계(grain boundaries, 작은 결정립 크기로 인한 내재적 요인)와 필름 계면(film interfaces, 기판 및 자유 표면이라는 기하학적 요인) 모두에 의해 구속되는 환경은 전위 거동을 근본적으로 변화시켜, 벌크 재료와는 전혀 다른, 독특한 피로 파괴 메커니즘을 야기한다. 본 학위논문은 이 독특한 낮은 차원 시스템(Low-Dimensional System)에 집중하여, 피로 파괴를 지배하는 두 가지 핵심 외재적 변형 인자(Extrinsic Deformation Factors)인 변형률 속도(Strain Rate)와 변형률 진폭(Strain Amplitude)의 역할을 총체적으로 규명하고 제어하는 통합적 연구를 수행하였다. 먼저, 본 논문은 속도 의존적 전위 거동을 분석함으로써, 변형 환경의 시간적 특성인 변형률 속도의 역할을 과학적으로 규명하였다. 유연 구리(Cu) 박막 배선의 피로 테스트 결과, 벌크 재료에서는 보고되지 않았던 독특한 현상을 발견하였다. 저속 변형 (Low Strain Rate) 환경에서는, 전위가 장애물을 극복하고 이동할 충분한 시간이 주어져 전위 이동성(Dislocation Mobility)이 활발해진다. 이는 표면 돌출(extrusion) 및 소성 변형 축적을 가속화하여, 결과적으로 균열 시작(Crack Initiation)이 더 이른 사이클에서 발생하였다. 반대로, 고속 변형 (High Strain Rate) 환경에서는, 전위가 움직일 시간이 부족하여 결정립계 및 필름-기판 계면과 같은 장벽에 ‘전위 쌓임(Dislocation Pile-up)’이 급격히 발생한다. 이는 전위 동역학(DD) 시뮬레이션으로 확인하였듯이, 강한 변형 경화(Strain Hardening)를 유발하여 재료를 취성적으로(brittle) 만들고, 일단 균열이 생성되면 균열 전파(Crack Propagation)가 매우 빠르게 진행됨을 밝혔다. 이러한 발견은 실제 사용 환경(저속)과 가속 테스트 환경(고속)의 피로 메커니즘이 근본적으로 다를 수 있음을 시사한다. 다음으로, 본 논문은 피로 수명을 결정하는 가장 지배적인 공간적 특성인 변형률 진폭(Strain Amplitude)을 공학적으로 제어하는 전략을 다루었다. 피로 파괴는 굽힘 시 발생하는 변형률 집중(Strain Concentration) 지점에서 시작된다. 본 연구에서는 절지동물의 외골격 구조에서 영감을 얻은 ‘생체 모방(Biomimetic)’ 설계를 도입하여, 기판 뒷면에 ‘백플레인 컷(Backplane cut)’을 가하는 새로운 구조를 제안하였다. 이 설계는 기판의 국소적 강성(stiffness)을 의도적으로 조절하여, 금속 박막이 경험하는 ‘변형률 재분배(Strain Redistribution)’를 유도한다 (Strategy I: 곡률 재분배 & Strategy II: 중립면 재배치). 결과적으로, 피로에 취약한 배선 영역이 경험하는 국소 ‘변형률 진폭’을 피로 한계 이하로 획기적으로 낮추어, 기존 소자 대비 5배 이상 향상된 기계적 신뢰성을 달성하였다. 본 학위논문은 속도 의존적 전위 분석을 통한 메커니즘 규명과 기판 기하학적 설계를 통한 공학적 솔루션이라는 두 가지 핵심적인 관점을 제시함으로써, 유연 배선의 피로 균열 제어를 위한 체계적인 프레임워크를 확립하였다. 이러한 연구 결과는 피로 균열의 생성을 능동적으로 제어할 수 있게 하며, 저차원 시스템의 파괴 물리에 대한 새로운 물리적 통찰과 차세대 유연 전자기기의 장기 신뢰성 확보를 위한 실용적인 설계 가이드라인을 동시에 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the fourth industrial revolution unfolds, generating vast amounts of data, electronic devices are evolving into flexible form factors that conform more closely to objects. Flexible electronics, including displays, batteries, and soft robots, are at the forefront of the next-generation of electronic devices, prized for their enhanced portability and versatility. A critical requirement for their commercial viability is high durability against the cyclic mechanical impacts, such as bending and stretching, that are inherent to their daily use. In these flexible systems, metal interconnects play a crucial role in connecting different components. A flexible electronic system typically consists of rigid device regions and flexible interconnect regions that connect them; mechanical strain consequently concentrates on the more deformable metal interconnects rather than on rigid components like ceramics. As a result, fatigue cracking in these metallic thin-film interconnects emerges as the most common and dominant failure mode, arising from repeated deformation even at low strain ranges. This failure is not instantaneous but rather a cumulative damage process. Physically, crack nucleation is closely related to stress localization at microscopic geometric defects, such as surface extrusions or intrusions. These defects are not random; they are the direct result of active and localized dislocation motion forming persistent slip bands PSBs within the metallic grains. Once formed, these fatigue cracks act as critical obstacles to the flow of electrical current, progressively degrading the device performance and ultimately leading to catastrophic system failure. Therefore, ensuring the mechanical reliability of these metal interconnects is critical for the effective operation and long-term reliability of flexible electronic systems. While most conventional fatigue research has focused on bulk materials, these findings cannot be directly extrapolated to flexible interconnects. The thin films used in these devices exhibit fundamentally different mechanical properties due to their low dimensionality (or size effect). Specifically, the confined geometry of the thin film—an environment where dislocation motion is constrained by a high density of barriers, including both grain boundaries (an intrinsic factor due to small grain size) and film interfaces (geometric factors, i.e., the substrate and free surface)—fundamentally alters dislocation behavior. This confinement leads to unique fatigue failure mechanisms entirely distinct from those observed in bulk materials, creating a significant knowledge gap in predicting device lifetime, as the frequency dependence of these confined systems remains unexplored. This thesis focuses on this unique ‘low-dimensional system’ and investigates of two key extrinsic deformation factors that govern fatigue failure: ‘strain rate’ and ‘strain amplitude’.
First, this thesis addresses the role of ‘strain rate’ (or frequency), the temporal aspect of the deformation environment, by scientifically elucidating the rate-dependent dislocation behavior. Fatigue tests on flexible copper (Cu) thin-film interconnects revealed a distinct paradox contradicting bulk material behavior. At low strain rate, sufficient time is available for dislocations to overcome barriers, promoting dislocation mobility. This accelerates plastic accumulation and the formation of surface extrusions, causing ‘crack Initiation’ to occur at much earlier cycles, a finding consistent with classical bulk behavior. Conversely, at high frequency, insufficient time causes dislocations to pile-up at barriers such as grain boundaries and the film-substrate interface. This phenomenon, confirmed by microstructural analysis via Low-Angle Annular Bright-Field (LAABF) imaging and Focused Ion Beam (FIB) microscopy, induces intense strain hardening, making the material more brittle. This hardening provides the driving force for a transition to a rapid, non-crystallographic, brittle-like crack propagation once a crack has formed. This finding, rationalized by Dislocation Dynamics (DD) simulations, reveals that the fatigue mechanisms governing low strain rate and high strain rate are fundamentally different.
Secondly, this thesis develops a substrate engineering strategy to control ‘strain amplitude’, the spatial aspect and most dominant factor in fatigue life. Fatigue failure typically originates from points of strain concentration during bending. This study proposes a novel biomimetic structure, inspired by arthropod exoskeletons, which introduces a ‘Backplane cut’ on the substrate, engineering the substrate's mechanical response without altering the functional film itself. This design intentionally modulates the local stiffness, forcing a globally applied deformation to be managed through two distinct and synergistic mechanisms: Strategy I: Curvature Redistribution, which localizes bending into engineered “hinges”, and strategy II: Neutral Axis Repositioning, which geometrically shifts the neutral mechanical plane closer to the film surface precisely in those high-curvature zones. This dual strategy induces a state of ‘Strain redistribution’, which was optimized through parametric studies and validated by Finite Element Method (FEM) simulations. As a result, the local strain amplitude experienced by the vulnerable interconnect region is dramatically reduced below the fatigue limit, achieving a remarkable five-fold improvement in fatigue lifetime compared to pristine devices.
In conclusion, this thesis establishes a systematic framework for fatigue crack regulation in flexible interconnects by addressing two critical perspectives: scientifically elucidating the failure mechanisms via rate-dependent dislocation analysis and providing an engineering solution via substrate geometry design. These findings collectively enable the active regulation of crack generation, offering both new physical insights into the failure physics of low-dimensional systems and practical guidelines for ensuring the long-term reliability of next-generation flexible electronic systems.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents v
• List of Tables viii
• List of Figures ix
• Chapter 1. Introduction
• 1.1. Development of the form factor of electronic devices 1
• 1.2. Over-view of flexible interconnects 6
• 1.3. Fatigue failure of flexible interconnects 10
• 1.4. Prior studies and limitations 13
• 1.5. Object of the thesis 16
• 1.6. Thesis Organization 18
• Chapter 2. Theoretical Background
• 2.1. Size effect on fatigue failure 20
• 2.1.1. Low-dimensionality effect 20
• 2.1.2. Geometric confinement 25
• 2.2. Strain rate dependency of fatigue lifetime 28
• 2.3. Strain amplitude dependency of fatigue lifetime 33
• 2.3.1. The Coffin-Manson Law 33
• 2.3.2. Physical mechanism 35
• Chapter 3. Elucidation of frequency dependency on fatigue cracking
• 3.1. Introduction 37
• 3.2. Experimental procedure 40
• 3.2.1 In-situ sliding bending test 40
• 3.2.2 3D dislocation dynamics simulation 46
• 3.3. Result and discussion 53
• 3.3.1. Sliding bending test 53
• 3.3.2. Fatigue damage characterization 57
• 3.3.3. DD simulation 69
• 3.4. Summary 80
• Chapter 4. Fatigue crack regulation via substrate engineering
• 4.1. Introduction 82
• 4.2. Biomimetic designing strategy 86
• 4.3. Experimental procedure 94
• 4.3.1. In-situ sliding bending test 96
• 4.3.2. Fatigue damage characterization 99
• 4.3.3. FEM simulation 101
• 4.4. Results and Discussion 105
• 4.4.1. Cut pitch dependency 105
• 4.4.2. Cut depth dependency 116
• 4.4.3. Analytical modeling for strain distribution 125
• 4.4.4. Modeling validation 135
• 4.5. Summary 139
• Chapter 5. Conclusion 141
• 5.1. Summary of results 141
• 5.2. Future work and suggested research 145
• References 148
• Abstract (In Korean) 161
• Curriculum Vitae 165