The electrical and mechanical properties of Anisotropic Conductive Adhesives/Films (ACAs/Fs) for electronic packaging interconnection materials were investigated in this study. Thermo-mechanical properties of newly modified ACA/F were mainly discussed in order to achieve the improvement of thermo cycle reliability of flip chip on organic substrate using ACA/F. For electrical properties, high frequency characterization of flip chip interconnection using ACF were mainly performed, and high frequency properties were improved by using low dielectric ACA/F materials. In chapter 1 and 2, introduction and literature survey for this study were described respectively.
In chapter 3, the conduction mechanism of interconnection constructed by ACF was investigated. Analytical models with the consideration of elastic deformation of contact material were used to evaluate the several factors of electrical contact, and FEM to investigate the electrical conduction through the large deformation of conductive particles or conductor substrate. Experimental verification was also performed.
Electrical conduction through the pressure engaged contact area between conductive particles and substrate is the main conduction mechanism in ACF interconnection. Therefore, the bonding pressure plays an important role in the electrical properties of ACF interconnect with pressure dependent conduction mechanism. In general, as bonding pressure increases, a sharp decrease of contact resistance followed by a constant value are observed after reaching the critical bonding pressure. Contact resistance of ACF is determined by the contact area change between particles and contact substrate. Therefore the number, the size, and the hardness of electrical conductive particles are important variables.
When more conductive particles are added, the connection resistance rapidly decreased and then became constant. This is because the counter-effect of two opposing factors, the resistance increase by a decrease of contact area per one particle and the resistance decrease by increasing number of conduction paths at the same bonding pressure.
In chapter 4, the effect of the curing kinetics on the electrical and mechanical properties of the ACF interconnection was investigated. The bounce up in the contact resistance of the ACFs after the bonding was observed. The amount of the bounce up was mainly depended on the elastic property of the fine conductive particles and the degree of cure in the resin in the ACF. The ACFs with Ni showed the least value. As the degree of cure increased, the amount of contact resistance’s bounce-up decreased. As the degree of cure of the resin in ACF increased, peel strength of ACF interconnect increased.
In chapter 5, flip chip assembly on organic substrate using ACAs has received much attention due to many advantages. It is necessary to have low CTE value of ACAs for obtaining more reliable flip chip assembly on organic substrates using ACAs. To modify the ACA materials with some amount of conductive fillers, non-conductive fillers were incorporated into ACAs.
The effect of non-conducting silica filler content of the ACA composite materials on the curing properties, thermo-mechanical properties, and reliability for ACA flip chip assembly on an organic substrate was investigated. As the content of non-conducting filler increases, $T_g$, storage modulus, curing onset and peak temperature increase. And at the same time, the CTE decreases below the $T_g$. However, the content of non-conducting filler addition does not noticeably affect the CTE above the $T_g$ and thermal stability. The reliability of ACA flip chip assembly using higher content of non-conducting filler is significantly enhanced than that of non-conducting filler added ACAs due to lower CTE and higher modulus. Therefore, the incorporation of non-conductive fillers in the ACA composite material significantly improves the material property of ACAs resulting in better thermo-mechanical reliability of ACA flip chip on organic substrate assembly.
In chapter 6, for the reliability improvement of ACF flip chip assembly, conventional ACF was modified by incorporation of non-conductive particles. As the content of non-conductive particle increases, the CTE value of cured adhesive film decreases. Modified ACFs of different CTE value have been interconnected between Si chip and FR-4 board. The thermal strain results by moire interferometry show that low CTE ACF with high filler content has low shear strain at the corner of chip and substrate interface, induced by CTE mismatch between the chip and the board under temperature difference. Also, higher chip bending was found at the chip corner in case of using low CTE ACF material.
In chapter 7, The anisotropic conductive film (ACF) as high-frequency flip-chip interconnection material was investigated. An efficient extraction procedure was shown based on the S-parameter, TDR and TDT measurement. The microwave frequency model of the ACF flip-chip interconnections was shown and high frequency behavior of ACF interconnection with different filler materials was investigated based on microwave model. It was illustrated that the ACF flip-chip interconnects have comparable transfer and loss characteristics to those of the solder bumped flip-chip bonding up to 13 GHz, which is resonance frequency of ACF interconnection. It was observed that digital signal transmission through the ACF interconnections over 80-ps rising time with negligible loss. Also, the equivalent circuit model for the flip chip interconnection has been derived by fitting procedure. Finally, the dielectric polymer resin with lower dielectric constant and conductive fillers with lower inductance are necessary for higher resonance frequency.
In chapter 8, the effect of non-conductive, dielectric filler content on dielectric properties of ACA materials, like dielectric constant, loss factor and loss tangent, and conductivity at high frequency was investigated. Frequency is dominating factor in determining dielectric constant, loss factor, and conductivity. However, the content of filler is dominant only on dielectric constant, not on the loss factor, and conductivity at low frequency range.
The effect of low-k filler addition on high frequency behavior of ACF was also investigated. Impedance parameters of conventional Ni ball ACF with low-k $SiO_2$ filler extracted from measurement were compared with that of Ni ball ACF. The resonant frequency of conventional Ni ball ACF was 13GHz, while resonant frequency of Ni ball ACF including low-k $SiO_2$ filler was found at 15GHz. This difference is originated from dielectric constant decrease of polymer matrix, which was verified by measurement-based modeling. That is, the high frequency property of conductive adhesive such as resonant frequency can be enhanced by low-k polymer matrix. Below resonant frequency, impedance parameters of conventional and low-k ACF were constantly maintained.
Therefore, the incorporation of non-conductive, dielectric fillers in the ACA composite material is one of successful candidates to improve high frequency property of ACA interconnection for higher resonance frequency.
전자 패키징 접속용 이방성 전도 접착제/필름의 전기적, 기계적 특성에 대한 연구를 수행하였다. 특히 이들을 이용한 유기기판 접속용 플립 칩의 열사이클 신뢰성을 향상 시키기 위해 개선된 이방성 전도 접착제/필름의 열기계적 특성에 대한 고찰과, 이방성 전도 접착제/필름을 이용한 플립 칩 접속의 고주파 특성 평가 및 이를 바탕으로 저유전율 접착제가 미치는 고주파 특성에 관한 연구가 주를 이루고 있다.
1장 및 2장에서는 연구에 대한 개요와 문헌조사를 다루었고, 3장에서는 이방성 전도 필름의 전도 기구에 대한 연구가 서술되었다. 이방성 전도 필름 내의 도전입자와 기판 전극과의 기계적 접촉에 의해 도전이 이루어지는데, 이의 거동에 미치는 여러 가지 인자의 효과를 보기 위해 탄성변형에 근거한 분석모델과, 소성변형에 근거한 유한요소법을 사용하였고, 실험적인 방법에 의해 증명되었다. 이방성 전도 필름의 전기전도도에는 접속 압력이 주요한 인자 중의 하나이며, 접속 압력이 증가할수록 접속 저항은 감소하였다. 그 외 도전입자의 밀도, 크기, 강도 등도 중요한 인자들이다.
즉, 도전입자의 밀도가 증가할수록 접속저항은 감소하다가 안정화되는 거동을 보이는데, 이는 도전입자가 많을수록 도전 경로의 수는 많아지지만 하나의 도전입자의 변형량이 적은 것에 따른 접촉 저항의 증가에 의해 전체 접속저항은 안정화되는 것이다.
4장에서는 이방성 전도 필름 접속의 전기저항과 접착력에 미치는 에폭시 레진의 경화밀도의 영향을 살펴보았다. 이방성 전도 필름의 열압착 본딩에 의한 접속 도중 전기적 접속 저항을 측정해 본 결과, 경화시간에 따른 접속 저항의 증가 현상이 발견되었다. 이 접속저항의 증가량은 접속시간이 길수록, 즉, 에폭시 레진의 경화밀도가 클수록 작았으며, 결과적으로 낮은 접속저항을 나타내었다. 또 에폭시 레진의 경화밀도가 클수록 이방성 전도 필름의 접착력은 증가하였다.
5장에서는, 이방성 전도 접착제/필름을 이용한 유기 기판용 플립 칩 접속의 열사이클 신뢰성을 증가시키기 위해 일정한 양의 도전입자와, 도전입자보다 크기가 작은 비도전성 입자를 함께 넣어 개선된 이방성 전도 접착제/필름이 제조되었다. 그러므로 비도전성 입자의 양에 따른 이방성 전도 접착제/필름의 경화특성, 열기계적 특성, 이를 이용한 유기 기판용 플립 칩 접속의 열사이클 신뢰성 등이 고찰되었다. 개선된 이방성 전도 접착제/필름 내의 비도전성 입자의 함량이 증가할수록 유리전이온도, 스토리지 모듈러스, 경화시작온도 등은 증가하였고, 유리전이 온도 이하에서의 열팽창계수는 감소하였다. 그러나 유리전이온도 이상에서의 열팽창계수와 열분해온도에는 별 다른 영향을 주지 못했다. 또 유기 기판용 플립 칩 접속의 열사이클 신뢰성을 현저히 개선시켰다.
6장에서는 개선된 이방성 전도필름에 의한 유기 기판 플립 칩 접속의 열사이클 신뢰성 개선 결과의 원인을 고찰하기 위해 모아레 방법을 이용하여 이방성 전도 필름 층의 열 변형량을 측정하였다. 실리콘 칩과 유기 기판 사이에서의 이방성 전도 필름 층의 열팽창계수 차이에 의한 열 변형량은 이방성 전도 필름의 열팽창계수가 작을수록 적게 나타났으며, 칩 변형량은 크게 나타났다.
7장에서는 이방성 전도 접착제/필름을 이용한 플립 칩 접속의 고주파 특성을 살펴보았다. S 패러미터 측정, TDR/TDT 평가에 의해 효과적인 추출모델을 이용하여 이방성 전도 접착제/필름의 고주파 모델 패러미터를 추출하였다. 고주파 특성 평가 결과 솔더를 이용한 플립 칩 접속 특성과 유사한 고주파 특성을 나타내었으며, 13 GHz에서는 공진현상을 나타내었다. 또 80 피코 초의 디지털 신호 전달 특성도 매우 적은 손실만을 나타내었다. 이방성 전도 필름의 고주파 모델 패러미터를 추출하였으며, 고주파 공진 주파수를 증가시키기 위해 저유전상수의 폴리머 레진이 필요하게 됨을 알게 되었다.
8장에서는 이방성 전도 접착제/필름의 낮은 유전상수를 갖게 하기 위해 낮은 유전상수를 가지는 비도전성 입자의 함량의 영향을 살펴보았다. 주파수가 증가할수록, 입자함량이 많을수록 유전상수는 감소하였다. 또 저유전율 이방성 전도 필름을 사용한 플립 칩 접속의 고주파 영역에서의 공진 주파수도 13 GHz에서 15 GHz로 증가하였다. 이는 이방성 전도 접착제/필름의 고주파 특성에서 나타나는 인덕턴스와 커패시턴스의 병렬 구조에 의한 공진현상에서, 에폭시 레진에 의한 커패시턴스를 낮추어줌으로써, 공진주파수가 증가하였기 때문이다.
